JP3271982B2 - Field effect transistor - Google Patents
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- Bipolar Integrated Circuits (AREA)
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Description
【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は電界効果トランジスタ、特に高電流を発生し
得るとともに漏洩電流の低い集積回路電界効果トランジ
スタに関するものである。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a field effect transistor, and more particularly to an integrated circuit field effect transistor capable of generating a high current and having a low leakage current.
発明の背景 電界効果トランジスタ(FET)は、論理装置、メモリ
装置およびマイクロプロセッサのような大規模集積回路
(VLSI)および超大規模集積回路(ULSI)の用途の主能
動装置である。その理由は集積回路FETが本来高インピ
ーダンス、高密度、低電力装置であるからである。従っ
てFETの動作速度および集積化密度を改善し、その消費
電力を少なくすることに多くのリサーチおよび開発がな
されている。BACKGROUND OF THE INVENTION Field effect transistors (FETs) are the primary active devices for large scale integrated (VLSI) and very large scale integrated (ULSI) applications such as logic devices, memory devices and microprocessors. The reason is that integrated circuit FETs are inherently high impedance, high density, low power devices. Accordingly, much research and development has been done to improve the operating speed and integration density of FETs and reduce their power consumption.
高速、高性能電界効果トランジスタはAlbert W.Vinal
による米国特許第4,984,043および4,990,974号に双方と
も“フェルミ閾値電界効果トランジスタ”の題名で開示
されている。これら米国特許には装置の閾値電圧を半導
体材料のフェルミ電位の2倍に設定することにより反転
を必要とすることなくエンハンスモードで作動する金属
酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)が記載さ
れている。当業者にとって既知のように、フェルミ電位
は、半導体材料のエネルギー状態が電子の占める1/2の
確率を有する状態として規定されている。上述した米国
特許に記載されているように、閾値電圧がフェルミ電位
の2倍に設定されている場合には、酸化物の厚さ、チャ
ネルの長さ、ドレイン電圧および基板ドーピングへの閾
値電圧の依存性は充分に排除される。さらに、閾値電圧
をフェルミ電位の2倍に設定する場合には酸化物および
チャネル間の基板表面の垂直方向の電界は最小となり、
実際にはほぼ零となる。これがため、チャネルのキャリ
ア移動度は最大となり、ホット電子効果が著しく減少さ
れた高速装置を得ることができる。従って装置の性能は
装置の寸法に殆ど関係ない。Albert W.Vinal is a high-speed, high-performance field-effect transistor
Nos. 4,984,043 and 4,990,974 both disclose under the title "Fermi Threshold Field Effect Transistor". These patents describe metal oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) that operate in enhanced mode without requiring inversion by setting the threshold voltage of the device to twice the Fermi potential of the semiconductor material. . As is known to those skilled in the art, the Fermi potential is defined as a state in which the energy state of the semiconductor material has a half probability of being occupied by electrons. If the threshold voltage is set to twice the Fermi potential, as described in the aforementioned U.S. patent, the oxide thickness, the channel length, the drain voltage and the threshold voltage to the substrate doping are reduced. Dependencies are largely eliminated. Furthermore, when the threshold voltage is set to twice the Fermi potential, the electric field in the vertical direction on the substrate surface between the oxide and the channel is minimized,
In practice, it is almost zero. For this reason, the carrier mobility of the channel is maximized, and a high-speed device in which the hot electron effect is significantly reduced can be obtained. Thus, the performance of the device has little to do with the dimensions of the device.
既知のFET装置と比較し、フェルミ閾値FETの著しい改
善にもかかわらず、フェルミFET装置の容量を小さくす
る必要があった。従って、双方とも“減少ゲートおよび
拡散容量を有するフェルミ閾値電界効果トランジスタ”
の題名で開示されているAlbert W.Vinalによる米国特許
出願第07/826,939号(米国特許第5,194,923号)および
第07/977,698号には、キャリア導通を支持するために、
半導体装置の表面に反転層を形成する必要なくゲートの
下側の基板の所定深さの箇所のチャネル内に導電キャリ
アを流すようにしたフェルミFET装置が記載されてい
る。従って、チャネル電荷の平均深さはゲート容量の一
部分として基板の誘電率を含める必要がある。これがた
め、ゲート容量が著しく減少する。Despite significant improvements in the Fermi threshold FET compared to known FET devices, the capacitance of the Fermi FET device needed to be reduced. Therefore, both are "Fermi threshold field effect transistors with reduced gate and diffusion capacitance"
Nos. 07 / 826,939 (U.S. Pat. No. 5,194,923) and 07 / 977,698 by Albert W. Vinal, which are disclosed under the title of U.S. Pat.
A Fermi-FET device is described in which a conductive carrier flows into a channel at a predetermined depth of a substrate below a gate without having to form an inversion layer on the surface of a semiconductor device. Therefore, the average depth of the channel charge must include the dielectric constant of the substrate as part of the gate capacitance. This significantly reduces the gate capacitance.
上述した特許および特許出願に記載されているよう
に、低容量のフェルミFETは、基板の導電型とは反対の
導電型、且つドレインおよびソースと同一の導電型を有
する所定深さのフェルミタブ領域を用いて好適に実現す
ることができる。このフェルミタブは基板表面から下方
に所定深さだけ延在するとともにソースおよびドレイン
拡散領域をフェルミタブのタブ境界内に形成する。この
フェルミタブは、ソース、ドレイン、チャネルおよびフ
ェルミタブの全部が同一導電型でドープされるがそのド
ーピング濃度がそれぞれ相違するユニジャンクショント
ランジスタを形成する。これがため低容量のフェルミFE
Tを提供することができる。フェルミタブを含む低容量
のフェルミFETを本発明では“低容量フェルミFET"また
は“タブFET"と称する。As described in the above-mentioned patents and patent applications, the low-capacity Fermi-FET has a conductivity type opposite to the conductivity type of the substrate, and a Fermi-tub region of a predetermined depth having the same conductivity type as the drain and the source. Can be suitably realized. The Fermi-tub extends downward from the substrate surface by a predetermined depth and forms source and drain diffusion regions within the tab boundaries of the Fermi-tub. The Fermi-tub forms a uni-junction transistor in which the source, drain, channel and Fermi-tub are all doped with the same conductivity type but have different doping concentrations. This is the low capacity Fermi FE
T can be provided. In the present invention, a low-capacity Fermi-FET including a Fermi-tub is referred to as a “low-capacity Fermi-FET” or “tab FET”.
既知のFET装置と比較しフェルミFETおよび低容量フェ
ルミFETは著しく改善されているにもかかわらず、フェ
ルミFET装置により生ずる単位チャネル幅当たりの飽和
電流を増大させる必要がある。フェルミFET装置の電流
が高くなればなるほど、論理装置、メモリ装置、マイク
ロプロセッサその他集積回路装置の集積密度を高くし、
および/または動作速度を一層高くすることもできる。
しかし、飽和電流は高漏洩電流を犠牲にしてまで得る必
要はない。漏洩電流が高くなると装置の無駄な電力消費
が著しく増大する。最後に、ポータブルコンピュータお
よびラップトップコンピュータが普及されるにつれて、
作動に悪影響を与えることなく、フェルミFETトランジ
スタの閾値電圧を低くする必要がある。閾値電圧の低い
装置は、ポータブル装置その他エネルギー消費装置に多
く用いられる3Vまたはそれよりも低い供給電力で良好に
作動し得るようになる。Despite significant improvements in Fermi-FETs and low-capacitance Fermi-FETs compared to known FET devices, there is a need to increase the saturation current per unit channel width produced by Fermi-FET devices. The higher the current of Fermi-FET devices, the higher the integration density of logic devices, memory devices, microprocessors and other integrated circuit devices,
And / or higher operating speeds.
However, saturation current need not be obtained at the expense of high leakage current. Higher leakage currents significantly increase the wasteful power consumption of the device. Finally, as portable and laptop computers become more prevalent,
There is a need to lower the threshold voltage of Fermi-FET transistors without adversely affecting operation. Devices with lower threshold voltages can operate better with 3V or lower supply power, which is often used in portable devices and other energy consuming devices.
発明の概要 本発明の目的は改良されたフェルミ閾値電界効果トラ
ンジスタ(フェルミFET)を提供せんとするにある。SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an improved Fermi threshold field effect transistor (Fermi FET).
本発明の他の目的は単位チャネル幅当たり極めて高い
電流を生ぜしめ得るフェルミFETを提供せんとするにあ
る。Another object of the present invention is to provide a Fermi-FET capable of generating a very high current per unit channel width.
本発明のさらに他の目的は漏洩電流が極めて低く単位
チャネル幅当たり極めて高い電流を生ぜしめ得るフェル
ミFETを提供せんとするにある。It is still another object of the present invention to provide a Fermi-FET capable of generating a very low leakage current and a very high current per unit channel width.
本発明によればソースおよびドレイン領域をドープ
し、チャネルに対向する所定濃度の第2導電型を充分高
くしてフェルミFETの飽和電流を最大とする。ソース/
ドレインチャネル界面の蓄積された自由電荷がフェルミ
FETの飽和電流の量を制御することは明らかである。従
って本発明によればチャネルと対向するソースおよびド
レインの所定最小ドーピング濃度を提供し、電界効果ト
ランジスタの飽和電流を最大とする。この所定濃度を越
えてドーピングを行っても電界効果トランジスタの飽和
電流を著し増大しない。飽和電流を最小とするソースお
よび/またはドレインの所定濃度Ndominは次式で表わさ
れる。According to the present invention, the source and drain regions are doped, and the predetermined concentration of the second conductivity type facing the channel is made sufficiently high to maximize the saturation current of the Fermi-FET. Source/
The accumulated free charge at the drain channel interface is
It is clear to control the amount of saturation current of the FET. Thus, the present invention provides a predetermined minimum doping concentration of the source and drain opposite the channel and maximizes the saturation current of the field effect transistor. Doping beyond this predetermined concentration does not significantly increase the saturation current of the field effect transistor. The predetermined concentration Ndo min of the source and / or drain that minimizes the saturation current is expressed by the following equation.
ここにeSは基板の誘電率 φXはソース/ドレイン拡散ドーピングおよびチャネ
ルドーピング間の平坦な帯域電圧 qは1.6×10-19クーロン eiはゲート絶縁体の誘電率 L0はチャネル長さ Vgmaxは最大ゲート電圧 Vtは閾値電圧 Yfはソースおよびドレイン領域に隣接するフェルミチ
ャネルの深さ Toxは絶縁体の厚さ δはチャネル内の過剰キャリアの流れ深さである。 Where e S is the dielectric constant of the substrate φ X is the flat band voltage between source / drain diffusion doping and channel doping q is 1.6 × 10 -19 coulomb e i is the dielectric constant of the gate insulator L 0 is the channel length V gmax is the maximum gate voltage V t is the threshold voltage Y f depth T ox of the Fermi channel adjacent to the source and drain regions are flow depth excess carriers in the channel δ the thickness of the insulator.
ソースドーピング傾斜領域および好適にはドレインド
ーピング傾斜領域もソース領域およびチャネル間並びに
ドレイン領域およびチャネル間にそれぞれ設ける。これ
らドーピング傾斜領域はソース/ドレイン領域に隣接す
るソース/ドレインドーピング濃度からチャネルに隣接
するチャネルドーピング濃度に減少するドーピング傾度
でドープする。これらソース/ドレインドーピング傾度
領域によってそれぞれソースおよびドレイン領域を囲む
のが好適である。A source doping gradient region and preferably a drain doping gradient region are also provided between the source region and the channel and between the drain region and the channel, respectively. These doping gradient regions are doped with a doping gradient that decreases from a source / drain doping concentration adjacent to the source / drain regions to a channel doping concentration adjacent to the channel. Preferably, these source / drain doping gradient regions respectively surround the source and drain regions.
上述した高飽和電流を保持するためにはソースおよび
ドレインドーピング傾度領域の厚さを少なくとも300Å
とする必要があることを確かめた。また、上述した高飽
和電流を保持するためにはゲート絶縁層およびゲート電
極をソース/ドレインドーピング傾度領域を越えて延在
させるのが好適である。最後に、基板ドーピング濃度を
タブドーピング濃度の好適には少なくとも4倍として基
板ドーピング濃度を最小にしてフェルミチャネルに直角
な電界を零とするためにタブ深さおよびドーピングに必
要な規準に悪影響を与えないようにする。In order to maintain the high saturation current described above, the thickness of the source and drain doping gradient regions should be at least 300 μm.
And make sure you need to. In order to maintain the high saturation current described above, it is preferable to extend the gate insulating layer and the gate electrode beyond the source / drain doping gradient region. Finally, the substrate doping concentration is preferably at least four times the tab doping concentration, which adversely affects the tub depth and the criteria required for doping to minimize the substrate doping concentration and eliminate the electric field perpendicular to the Fermi channel. Not to be.
本発明フェルミFETによればその漏洩電流を著しく増
大することなく飽和電流を高くすることができる。例え
ば、ゲート絶縁体の厚さが120Å以下でチャネル長さが
ほぼ1μm以下のフェルミFETによって、0乃至5Vの供
給電力を用い且つ漏洩電流が10pAmp/μm以下で、少な
くとも4amp/cmのPチャネル飽和電流および少なくとも7
amp/cmのNチャネル飽和電流を提供することができる。
この性能は、基板表面に直角なチャネルに充分な静電界
を発生する表面チャネル型または埋設チャネル型の従来
のMOSFETによっては達成することはできない。According to the Fermi-FET of the present invention, the saturation current can be increased without significantly increasing the leakage current. For example, a Fermi-FET with a gate insulator thickness of less than 120 ° and a channel length of about 1 μm or less, using a power supply of 0-5 V, a leakage current of less than 10 pAmp / μm, and a P-channel saturation of at least 4 amp / cm. Current and at least 7
An N-channel saturation current of amp / cm can be provided.
This performance cannot be achieved by conventional surface-channel or buried-channel MOSFETs that generate a sufficient electrostatic field in the channel perpendicular to the substrate surface.
さらに本発明によれば、フェルミFETの閾値電圧を、
所定のチャネル深さを好適にはほぼ600Åに保持すると
ともにチャネルのドーピング濃度を増大して閾値電圧を
フェルミ電位の1/2以下にすることにより、基板に直角
なチャネルの静電界を零に保持しながら基板のフェルミ
電位の2倍以下にすることができる。チャネルドーピン
グを少なくとも次式に従って所望の閾値電圧を得ること
ができる。Furthermore, according to the present invention, the threshold voltage of the Fermi FET is
Maintain a given channel depth preferably at approximately 600 ° and increase the channel doping concentration to lower the threshold voltage to less than half the Fermi potential, thereby keeping the electrostatic field of the channel perpendicular to the substrate at zero However, it can be reduced to twice or less the Fermi potential of the substrate. Channel doping can obtain a desired threshold voltage according to at least the following equation.
ここに△VTは基板のフェルミ電位の2倍からの閾値電圧
の変化 qは1.6×10-19クーロン Toxは酸化物絶縁体の厚さ Nchはチャネルの不純物濃度 Yfはソースおよびドレイン領域に隣接するフェルミチ
ャネルの深さ esは基板の誘電率 eiはゲート絶縁体の誘電率である。 Where ΔV T is the threshold voltage change from twice the Fermi potential of the substrate q is 1.6 × 10 -19 coulomb T ox is the thickness of the oxide insulator N ch is the impurity concentration of the channel Y f is the source and drain The depth e s of the Fermi channel adjacent to the region is the permittivity e i of the substrate and the permittivity of the gate insulator.
このチャネル濃度はほぼ5×1016以下に保持してキャ
リア易動度が低下するのを防止し、これにより飽和電流
を減少させるようにする。This channel concentration is maintained at about 5 × 10 16 or less to prevent the carrier mobility from decreasing, thereby reducing the saturation current.
本発明の上述した例によれば、フェルミFETを得るた
めに独立して制御される飽和電流および閾値電圧と組合
せて用いることができる。特に、好適には600Åの所定
チャネル深さに対してソース/ドレインドーピング濃度
を変化させて装置の最大飽和電流を独立して制御するこ
とができるとともにチャネルドーピング濃度を変化させ
て装置の閾値電圧を独立して制御することもできる。こ
れがためフェルミFETの飽和電流および閾値電圧を独立
して制御することができる。According to the above example of the present invention, it can be used in combination with independently controlled saturation current and threshold voltage to obtain Fermi FETs. In particular, it is possible to independently control the maximum saturation current of the device by varying the source / drain doping concentration for a given channel depth of preferably 600 ° and to vary the channel doping concentration to increase the threshold voltage of the device. It can also be controlled independently. Thus, the saturation current and the threshold voltage of the Fermi-FET can be controlled independently.
上述したように、本発明高電流フェルミFETによれ
ば、チャネル長さが1μm以下、ゲート絶縁層の厚さが
ほぼ120Åでチャネル幅が10pamp/μm以下の漏洩電流の
場合に、少なくともチャネル幅(Pチャネル)の4amp/c
mおよびチャネル幅(Nチャネル)の7amp/cmのドレイン
飽和電流を発生させることができる。これらの値はチャ
ネルキャリアの流れる方向に直角に電界が配向された従
来のMOSFETでは達成することができない。フェルミFET
と従来のMOSFETとを詳細に比較した所から明らかなよう
に、飽和速度はキャリアの流れる方向において基板に平
行な電界および基板に直角でキャリアの流れる方向に直
角な電界によって生ずるベクトル量である。フェルミFE
Tによって垂直方向(直角方向)成分を除去するため、
飽和電流は従来のMOSFETに比較して最大となる。従来の
MOSFETでは漏洩電流を許容し得ない程度に高くすること
なく飽和電流を増大させることはできない。このフェル
ミFETによって飽和電流が高く、漏洩電流が許容し得る
程度に低いフェルミFETトランジスタを得ることができ
る。As described above, according to the high-current Fermi-FET of the present invention, when the channel length is 1 μm or less, the thickness of the gate insulating layer is approximately 120 °, and the channel width is 10 pamp / μm or less, at least the channel width ( 4 amp/c of P channel)
It is possible to generate a drain saturation current of 7 amp / cm of m and channel width (N channel). These values cannot be achieved with conventional MOSFETs where the electric field is oriented perpendicular to the direction of channel carrier flow. Fermi FET
As can be seen from a detailed comparison between the conventional MOSFET and the conventional MOSFET, the saturation velocity is a vector amount generated by an electric field parallel to the substrate in the carrier flowing direction and an electric field perpendicular to the substrate and perpendicular to the carrier flowing direction. Fermi FE
To remove the vertical (orthogonal) component by T,
The saturation current becomes maximum as compared with the conventional MOSFET. Traditional
MOSFETs cannot increase saturation current without making leakage current unacceptably high. This Fermi-FET makes it possible to obtain a Fermi-FET transistor having a high saturation current and a low leakage current.
さらに本発明によれば、フェルミFETはソース領域に
隣接し、且つドレイン領域と対向するフェルミ−タブ領
域およびソース領域と同一導電型のインジェクタ領域を
具える。このインジェクタ領域はフェルミ−タブ領域の
比較的低いドーピング濃度およびソース領域の比較的高
いドーピング濃度の中間のドーピングレベルでドーピン
グを行うのが好適である。このインジェクタ領域によっ
てチャネル内に注入されたキャリアの深さを制御すると
ともにゲートの下側の所定深さの箇所でチャネル内にキ
ャリアを注入することができる。Further in accordance with the present invention, a Fermi-FET includes a Fermi-tub region adjacent to the source region and facing the drain region and an injector region of the same conductivity type as the source region. The injector region is preferably doped at a doping level intermediate the relatively low doping concentration of the Fermi-tub region and the relatively high doping concentration of the source region. The injector region controls the depth of the carriers injected into the channel and allows the carriers to be injected into the channel at a predetermined depth below the gate.
ソースインジェクタ領域はソース領域を囲むソースイ
ンジェクタタブ領域とするのが好適である。換言すれ
ば、ソースインジェクタタブ領域はフェルミ−タブ領域
内に形成するとともにソース領域をソースインジェクタ
タブ領域内に形成するのが好適である。同様にドレイン
インジェクタタブ領域もフェルミ−タブ領域内に形成す
るとともにドレイン領域をドレインインジェクタタブ領
域内に形成するのが好適である。また、ソース領域およ
びドレイン領域を基板内にそれぞれソースインジェクタ
タブ領域およびドレインインジェクタタブ領域よりも深
く延在させることができる。これらソースインジェクタ
タブ領域およびドレインインジェクタタブ領域はソース
領域、ドレイン領域およびフェルミ−タブ領域と同一導
電型とするとともにフェルミ−タブ領域、ソース領域お
よびドレイン領域の濃度の中間の濃度でドープするのが
好適である。The source injector area is preferably a source injector tab area surrounding the source area. In other words, it is preferable that the source injector tub region is formed in the Fermi-tub region and the source region is formed in the source injector tub region. Similarly, the drain injector tub region is preferably formed in the Fermi-tub region, and the drain region is preferably formed in the drain injector tub region. Further, the source region and the drain region can extend deeper than the source injector tub region and the drain injector tub region, respectively, in the substrate. The source and drain injector tub regions are preferably of the same conductivity type as the source, drain, and Fermi-tub regions, and are preferably doped at an intermediate concentration between the Fermi-tub, source, and drain regions. It is.
さらに本発明によれば、フェルミFETのソースインジ
ェクタ領域に隣接する箇所からゲート電極に隣接する箇
所まで延在するゲートサイドウォールスペーサを設ける
ことによってピンチ−オフ電圧を低くするとともに飽和
電流を増大させることができる。このゲートサイドウォ
ールスペーサはゲート絶縁層の誘電率よりも大きな誘電
率を有する絶縁体を具えるのが好適である。例えば、ゲ
ート絶縁体を二酸化シリコンとした代表的な電界効果ト
ランジスタでは、ゲートスペーサを窒化シリコンとする
のが好適である。また、このゲートサイドウォールスペ
ーサはドレインインジェクタ領域に隣接する箇所からゲ
ート電極に隣接する部分まで延在させるのが好適であ
る。代表的にはこのゲートサイドウォールスペーサによ
ってそのサイドウォールでゲート電極を囲むようにす
る。Further, according to the present invention, a pinch-off voltage is reduced and a saturation current is increased by providing a gate sidewall spacer extending from a portion adjacent to a source injector region of a Fermi FET to a portion adjacent to a gate electrode. Can be. This gate sidewall spacer preferably comprises an insulator having a dielectric constant greater than the dielectric constant of the gate insulating layer. For example, in a typical field-effect transistor in which the gate insulator is silicon dioxide, it is preferable that the gate spacer be silicon nitride. Preferably, the gate sidewall spacer extends from a portion adjacent to the drain injector region to a portion adjacent to the gate electrode. Typically, the gate sidewall spacer surrounds the gate electrode.
フェルミFETのゲート電極にはゲート絶縁層上に形成
した多結晶シリコン(ポリシリコン)層およびこのポリ
シリコン層上の金属のような導電層を設けるのが好適で
ある。ポリシリコン層はフェルミFETのソース領域、ド
レイン領域およびタブ領域とは異なる導電型とするのが
好適である。ゲートサイドウォールスペーサはポリシリ
コン層のサイドウォールからソースおよびドレインイン
ジェクタタブ領域上に延在させるようにする。このゲー
トサイドウォールスペーサによって装置のピンチ−オフ
電圧を低くするとともに装置の飽和電流を増大させるよ
うにする。It is preferable to provide a polycrystalline silicon (polysilicon) layer formed on the gate insulating layer and a conductive layer such as a metal on the polysilicon layer for the gate electrode of the Fermi FET. The polysilicon layer is preferably of a different conductivity type from the source, drain and tub regions of the Fermi-FET. Gate sidewall spacers extend from the sidewalls of the polysilicon layer over the source and drain injector tub regions. The gate sidewall spacer lowers the pinch-off voltage of the device and increases the saturation current of the device.
これらソースおよびドレインインジェクタ領域をタブ
−FET構体に用いて高電流フェルミFET装置を形成する。
これらソースおよびドレインインジェクタ領域はゲート
サイドウォールスペーサと組合せて用いてピンチ−オフ
電圧の低い高電流装置を形成する。These source and drain injector regions are used in a tub-FET structure to form a high current Fermi-FET device.
These source and drain injector regions are used in combination with gate sidewall spacers to form a high current device with a low pinch-off voltage.
短チャネルFET、例えばほぼ0.5μmのチャネル長さを
有するFETを製造する場合には、ソース空乏領域で終了
するドレイン電界のために基底漏洩電流が増大してドレ
イン誘起注入が生じる。本発明の他の例によれば、ソー
スおよびドレインインジェクタ領域をフェルミ−タブ領
域の深さまで延在させることによって基底漏洩電流を低
減させるようにする。或は又、基板と同一導電型の基底
漏洩電流制御領域を設けるようにすることができる。When fabricating short channel FETs, eg, FETs having a channel length of approximately 0.5 μm, the drain field ending in the source depletion region increases the base leakage current and causes drain induced injection. According to another embodiment of the present invention, the base leakage current is reduced by extending the source and drain injector regions to the depth of the Fermi-tub region. Alternatively, a base leakage current control region of the same conductivity type as the substrate may be provided.
この基底漏洩電流制御領域は基板に対し高濃度でドー
プするとともにソースおよびドレイン領域の対向端部の
延長部から基板を横切って延在させ且つフェルミ−タブ
/基板注入部の両側まで延在させる。これがためピンチ
−オフ電圧が低く、漏洩電流が低い高電流、短チャネル
装置を得ることができる。The base leakage control region is heavily doped into the substrate and extends across the substrate from an extension of the opposite end of the source and drain regions and to both sides of the Fermi-tub / substrate implant. As a result, a high-current, short-channel device having a low pinch-off voltage and a low leakage current can be obtained.
ほぼ0.5μmより長いチャネル長さのタブ−FETに基底
漏洩電流領域または延長インジェクタ領域を用いること
も容易である。さらに、インジェクタ領域を含まないタ
ブ−FETに基底漏洩電流制御領域を用いることもでき
る。It is also easy to use a base leakage current region or an extended injector region for a tub-FET with a channel length longer than approximately 0.5 μm. Further, a base leakage current control region can be used for a tub-FET that does not include an injector region.
さらに、フェルミ−タブ深さは最大タブ深さおよび最
小タブ深さ間に規定するのが好適である。特に、フェル
ミ−タブ深さを充分深くして電界効果トランジスタの閾
値電圧で基板−タブ接合によりフェルミ−タブ領域を完
全に空乏化することができるが、この深さを充分に浅く
してフェルミFETの閾値以下の電圧においてソース領域
とドレイン領域との間に閉成反転注入障壁を形成するこ
ともできる。これがため、高飽和電流および低漏洩電流
を同時に得ることができる。Further, the Fermi-tub depth is preferably defined between a maximum tab depth and a minimum tab depth. In particular, the Fermi-tub region can be completely depleted by the substrate-tub junction at the threshold voltage of the field effect transistor by making the Fermi-tub depth sufficiently deep. It is also possible to form a closed inversion injection barrier between the source region and the drain region at a voltage equal to or lower than the threshold value. Therefore, a high saturation current and a low leakage current can be obtained at the same time.
特に、本発明電界効果トランジスタは第1のドーピン
グ濃度Nsubでドープされるとともに温度T゜ケルビンで
誘電率esおよびフェルミ−電位efを有する第1導電型の
半導体基板を具える。第2導電型のフェルミ−タブ領域
は基板の表面に形成するとともに濃度Nsubのα倍の第2
ドーピング濃度Ntubでドープする。第2導電型の互いに
離間されたソースおよびドレイン領域は基板表面のフェ
ルミ−タブ領域に形成する。基板の表面の互いに離間さ
れたソースおよびドレイン領域間にゲート絶縁層を形成
する。ソース領域、ドレイン領域並びにゲート絶縁層に
はソースおよびドレインおよびゲート電極をそれぞれ電
気的に接触させるようにする。In particular, the present invention field effect transistor temperature T ° Kelvin permittivity e s and Fermi while being doped with a first doping concentration N sub - comprises a first conductivity type semiconductor substrate having a potential e f. A Fermi-tub region of the second conductivity type is formed on the surface of the substrate and has a second concentration α times the concentration N sub .
Doping is performed at a doping concentration of N tub . The source and drain regions of the second conductivity type that are separated from each other are formed in the Fermi-tub region on the substrate surface. A gate insulating layer is formed between the spaced apart source and drain regions on the surface of the substrate. The source, drain and gate electrodes are electrically connected to the source and drain regions and the gate insulating layer, respectively.
本発明によれば、フェルミ−タブ領域を基板内にその
表面から所定深さの箇所まで延長させ、この際所定深さ
を(2esφsNsub/qNtub(Ntub+Nsub))1/2よりも深
く、且つ(2esVt/qNtub)1/2よりも浅くし、ここにqは
1.6×10-19クーロン、VtはフェルミFETの閾値電圧、φ
sは2φf+(KT/q)1nα、およびKは1.38×10-23ジ
ュール/゜ケルビンである。斯様にフェルミ−タブをこ
の最小深さおよび最大深さ間に規定することにより、高
飽和電流、低漏洩電流フェルミFETを得ることができ
る。According to the present invention, the Fermi - the tab region is extended from the surface into the substrate to a point of a predetermined depth, the time predetermined depth (2e s φ s N sub / qN tub (N tub + N sub)) 1 / 2 and shallower than (2e s V t / qN tub ) 1/2 where q is
1.6 × 10 -19 coulombs, V t is the threshold voltage of the Fermi FET, phi
s is 2φ f + (KT / q) 1nα, and K is 1.38 × 10 −23 Joules / ゜ Kelvin. By defining the Fermi-tub between the minimum depth and the maximum depth, a high saturation current, low leakage current Fermi FET can be obtained.
発明を実施するための最良の形態 発明の好適な実施例を示す添付図面につき本発明を以
下に詳細に説明する。しかし、本発明は以下に示す実施
例に限定されるものではなく、要旨を変更しない範囲内
で種々の変形や変更が可能である。さらに図中、同一部
分には同一符号で示すとともに層および領域の厚さは説
明の便宜上拡大して示す。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will be described in detail hereinafter with reference to the accompanying drawings, which show a preferred embodiment of the invention. However, the present invention is not limited to the embodiments described below, and various modifications and changes can be made without changing the gist. Further, in the drawings, the same portions are denoted by the same reference numerals, and the thicknesses of the layers and regions are enlarged for convenience of explanation.
本発明高飽和電流低漏洩電流フェルミ閾値電界効果ト
ランジスタを説明する前に、まず最初、米国特許出願第
07/826,939号および第07/977,689号(それぞれ“低容量
フェルミFET"および“タブ−FET"なる名称)に開示され
ている減少ゲートおよび拡散容量のフェルミ閾値電界効
果トランジスタについて説明する。その一層完全な説明
は上記米国特許出願明細書を参照されたい。Prior to describing the high saturation current low leakage current Fermi threshold field effect transistor of the present invention, U.S. patent application Ser.
The reduced gate and diffused capacitance Fermi threshold field effect transistors disclosed in 07 / 826,939 and 07 / 977,689 (named "Low Capacitance Fermi-FET" and "Tab-FET" respectively) are described. See the above-cited U.S. patent application for a more complete description.
低容量フェルミFETを説明した後、インジェクタ領
域、ゲートサイドウォールスペーサ領域および基底漏洩
制御領域を有するフェルミFETについて説明する。After describing the low-capacity Fermi-FET, a Fermi-FET having an injector region, a gate sidewall spacer region, and a base leakage control region will be described.
次いで、チャネルと対向するソース/ドレイン拡散の
ドーピングを制御することによる飽和電流の制御につい
て説明する。その後閾値電圧の制御について説明する。
さらに従来のMOSFETとフェルミFETとを理論的に比較
し、従来のMOSFETがフェルミFETの高飽和電流と低漏洩
電流とを所望のごとく組合せ得ないことを説明する。Next, the control of the saturation current by controlling the doping of the source / drain diffusion facing the channel will be described. Thereafter, control of the threshold voltage will be described.
Furthermore, a conventional MOSFET and a Fermi-FET are theoretically compared, and it is explained that the conventional MOSFET cannot combine the high saturation current and the low leakage current of the Fermi-FET as desired.
減少ゲートおよび拡散容量を有するフェルミFET フェルミタブを有する低容量フェルミFETの概略を以
下に示す。この際の追加の詳細は前記米国特許出願第07
/826,939号および第07/977,689号を参照されたい。Fermi-FET with reduced gate and diffusion capacitance A low-capacity Fermi-FET with Fermi-tab is outlined below. Additional details at this time can be found in US patent application Ser.
See / 826,939 and 07 / 977,689.
従来のMOSFET装置はキャリア伝導を支持するために半
導体の表面に反転層を形成する必要がある。この反転層
の深さは代表的には100Å以下とする。これらの状況の
下でゲート容量は本質的にはゲート絶縁体をその厚さで
除算した誘電率である。換言すれば、基板の誘電特性の
影響がゲート容量の決定に差ほど重要でない表面近くに
チャネル電荷を閉じ込める。Conventional MOSFET devices require that an inversion layer be formed on the surface of the semiconductor to support carrier conduction. The inversion layer typically has a depth of 100 ° or less. Under these circumstances, the gate capacitance is essentially the dielectric constant of the gate insulator divided by its thickness. In other words, the channel charge is confined near the surface where the effect of the dielectric properties of the substrate is not as important in determining the gate capacitance.
導伝キャリアがゲートの下側のチャネル領域内に閉じ
込められ、ゲート容量を計算するためにチャネル電荷の
平均深さが基板の誘電率を含む必要のある場合にはゲー
ト容量が減少し得るようになる。The conduction carriers are confined in the channel region below the gate so that the gate capacitance can be reduced if the average depth of the channel charge needs to include the dielectric constant of the substrate to calculate the gate capacitance. Become.
一般に、低容量フェルミFETのゲート容量は次式で表わ
すことができる。In general, the gate capacitance of a low-capacitance Fermi-FET can be expressed by the following equation.
ここにYfはフェルミチャネルと称される導伝チャネル
の深さ、esは基板の誘電率、βは表面以下のフェルミチ
ャネル内に流れる電荷の平均深さを決めるファクタであ
る。 Here, Y f is the depth of a conduction channel called a Fermi channel, e s is the dielectric constant of the substrate, and β is a factor that determines the average depth of charge flowing in the Fermi channel below the surface.
このβはソースからチャネル内に注入されるプロフィ
ールに依存する深さに依存する。低容量フェルミFETに
対してはβ=2である。Toxはゲート酸化物層の厚さで
あり、eiはその誘電率である。This β depends on the depth depending on the profile injected into the channel from the source. Β = 2 for low capacitance Fermi FETs. T ox is the thickness of the gate oxide layer and e i is its dielectric constant.
低容量フェルミFETは基板の導電型とは反対の導電型
およびソースおよびドレイン領域と同一導電型を有する
所定深さのフェルミ−タブ領域を具える。このフェルミ
−タブは基板表面から下方に所定深さだけ延在し、ドレ
インおよびソース拡散はフェルミ−タブ境界内のフェル
ミ−タブ領域に形成する。好適なフェルミ深さはフェル
ミチャネル深さYfおよび空乏層深さYoの和の深さであ
る。所定の深さTfおよび幅Zを有するフェルミチャネル
領域はソースおよびドレイン拡散部間に延在する。フェ
ルミチャネルの導電型はゲート電極に供給される電圧に
よって制御する。The low-capacitance Fermi-FET comprises a Fermi-tub region of a predetermined depth having a conductivity type opposite to that of the substrate and having the same conductivity type as the source and drain regions. The Fermi-tub extends a predetermined depth below the substrate surface, and drain and source diffusions form in the Fermi-tub region within the Fermi-tub boundary. Suitable Fermi depth is the depth of the sum of the Fermi channel depth Y f and depletion depth Y o. A Fermi channel region having a predetermined depth Tf and width Z extends between the source and drain diffusions. The conductivity type of the Fermi channel is controlled by a voltage supplied to the gate electrode.
ゲート容量はフェルミチャネルの深さおよびフェルミ
チャネルのキャリア分布によって主として決まるととも
にゲート酸化物層の厚さにはほぼ依存しない。拡散容量
はフェルミ−タブの深さおよび基板の空乏層の深さの和
と拡散部の深さXdとの差に逆比例する。この拡散部の深
さはフェルミチャネルの深さと同一とするのが好適であ
る。一層深い構成では、拡散部の深さはフェルミ−タブ
の深さYtubよりも浅い。フェルミ−タブ領域のドーパン
ト濃度はフェルミチャネルの深さをMOSFET内の反転層の
深さの3倍以上とするように選択するのが好適である。The gate capacitance is mainly determined by the depth of the Fermi channel and the carrier distribution of the Fermi channel, and is almost independent of the thickness of the gate oxide layer. The diffusion capacitance is inversely proportional to the difference between the sum of the depth of the Fermi-tub and the depth of the depletion layer of the substrate and the depth Xd of the diffusion portion. Preferably, the depth of the diffusion is the same as the depth of the Fermi channel. In a deeper configuration, the depth of the diffusion is less than the depth Y tub of the Fermi- tub . The dopant concentration in the Fermi-tub region is preferably selected so that the depth of the Fermi channel is at least three times the depth of the inversion layer in the MOSFET.
従って、低容量フェルミFETは第1表面を有する第1
導電型の半導体基板と、この半導体基板内の第1表面の
第2導電型のフェルミ−タブ領域と、このフェルミ−タ
ブ領域の第1表面の第2導電型の互いに離間されたソー
スおよびドレイン領域と、このフェルミ−タブ領域の第
1表面の互いに離間されたソースおよびドレイン領域間
の第2導電型のチャネルとを具える。このチャネルは第
1表面から第1の所定深さ(Yf)延在し、フェルミ−タ
ブ領域はチャネルから第2の所定深さ(Yo)延在する。
基板上の前記第1表面の互いに離間されたソースおよび
ドレイン領域間にゲート絶縁層を設ける。ソースおよび
ドレイン領域並びにゲート絶縁層にそれぞれ電気的接続
を行うために、ソース、ドレインおよびゲート電極を設
ける。Therefore, the low-capacitance Fermi FET has the first surface having the first surface.
A conductive type semiconductor substrate; a second conductive type Fermi-tub region on a first surface within the semiconductor substrate; and a second conductive type spaced source and drain region on a first surface of the Fermi-tub region. And a channel of a second conductivity type between the spaced apart source and drain regions on the first surface of the Fermi-tub region. The channel extends a first predetermined depth (Y f ) from the first surface, and the Fermi-tub region extends a second predetermined depth (Y o ) from the channel.
A gate insulating layer is provided between the source and drain regions of the first surface on the substrate that are separated from each other. Source, drain, and gate electrodes are provided for electrical connection to the source and drain regions and the gate insulating layer, respectively.
少なくとも第1および第2の所定深さは電界効果トラ
ンジスタの閾値電圧をゲート電極に供給すると第1の深
さの箇所で第1表面に直角な静電界が零となるように選
択する。また、この第1および第2の所定の深さは、電
界効果トランジスタの閾値電圧以上の電圧をゲート電極
に印加する際に第1の所定の深さから第1の表面に向か
って延在するチャネル内をソースからドレインに第2導
電型のキャリアを流し得るように選定することもでき
る。従ってキャリアはフェルミ−タブ領域に反転層を生
ずることなく第1表面の下側でソース領域からドレイン
領域に流れる。さらに第1および第2の所定の深さは、
基板表面の電圧をゲート絶縁層に隣接する基板のフェル
ミ電位を2倍とするように選定することもできる。基板
接点および基板間の電圧およびポリシリコンゲートおよ
びゲート電極間の電圧の和はほぼ零とする。At least the first and second predetermined depths are selected such that when a threshold voltage of the field effect transistor is supplied to the gate electrode, an electrostatic field perpendicular to the first surface at the first depth becomes zero. The first and second predetermined depths extend from the first predetermined depth toward the first surface when a voltage equal to or higher than the threshold voltage of the field effect transistor is applied to the gate electrode. It is also possible to select such that carriers of the second conductivity type can flow in the channel from the source to the drain. Thus, carriers flow from the source region to the drain region below the first surface without creating an inversion layer in the Fermi-tub region. Further, the first and second predetermined depths are:
The voltage on the substrate surface can be selected so as to double the Fermi potential of the substrate adjacent to the gate insulating layer. The sum of the voltage between the substrate contact and the substrate and the voltage between the polysilicon gate and the gate electrode is substantially zero.
基板がドーピング密度Nsでドープされるとともに真性
キャリア濃度NP、温度Tケルビン度および誘電率esを有
し、電界効果トランジスタが基板と電気的に接触する基
板接点を有し、チャネルが基板表面から所定の深さYf延
在し、フェルミ−タブ領域がチャネルから第2の所定深
さYo延在し、フェルミ−タブ領域をドーピング密度Nsの
α倍のドーピング密度でドープされ、ゲート電極が第1
の導電型のポリシリコン層を有するとともにドーピング
密度Npでドープされる場合には、第1の所定深さは次式
で表わすことができる。Substrate has a doping density N s intrinsic carrier concentration with doped with N P, the temperature T degrees Kelvin and a dielectric constant e s, has a substrate contact field effect transistor is in contact with the substrate electrically, the substrate channels Mashimashi predetermined depth Y f extending from the surface, the Fermi - the tab region Mashimashi second predetermined depth Y o extending from the channel, Fermi - doped with tub region in α times the doping density of the doping density N s, Gate electrode is first
When it is doped at a doping density N p and having a conductive type polysilicon layer of the first predetermined depth can be expressed by the following equation.
ここにqは1.6×10-19クーロン、Kは1.38×10-23ジ
ュール/゜Kである。また、第2の所定の深さ(Yo)は
次式で表わすことができる。 Where q is 1.6 × 10 -19 coulombs and K is 1.38 × 10 -23 joules / ゜ K. The second predetermined depth (Yo) can be expressed by the following equation.
ここにφsは2φf+KT/qに等しく、φfは半導体基
板のフェルミ電位である。 Here, φ s is equal to 2φ f + KT / q, and φ f is the Fermi potential of the semiconductor substrate.
高電流フェルミFET構体 図1に、本発明によるNチャネル高電流チャネルFET
を示す。PチャネルフェルミFETを、Nチャネル領域の
導電型とPチャネル領域の導電型とを逆にすることによ
って得ることは容易である。FIG. 1 shows an N-channel high-current channel FET according to the present invention.
Is shown. It is easy to obtain a P-channel Fermi-FET by reversing the conductivity type of the N-channel region and the conductivity type of the P-channel region.
図1に示すように、高電流フェルミFET20を、第1導
電型、ここではP型を有するとともに基板表面21aを含
む半導体基板21に形成する。第2導電型、ここではN型
のフェルミ−タブ領域22を、基板21の表面21aに形成す
る。第2導電型、ここではN型の互いに離間したソース
領域23及びドレイン領域24を、フェルミ−タブ領域22の
表面21aに形成する。ソース領域及びドレイン領域を、
表面21aのトレンチ内に形成することができることも容
易である。As shown in FIG. 1, a high-current Fermi-FET 20 is formed on a semiconductor substrate 21 having a first conductivity type, here a P-type, and including a substrate surface 21a. A second conductivity type, here, N-type Fermi-tub region 22 is formed on the surface 21 a of the substrate 21. A source region 23 and a drain region 24 of a second conductivity type, here N type, which are separated from each other, are formed on the surface 21 a of the Fermi-tub region 22. Source and drain regions,
It can be easily formed in the trench on the surface 21a.
ゲート絶縁層26を、互いに離間したソース領域23とド
レイン領域24との間の基板21の表面21aにそれぞれ形成
する。当業者には既知のように、ゲート絶縁層を代表的
には二酸化シリコンとする。しかし、窒化ケイ素及び他
の絶縁物を使用することもできる。The gate insulating layer 26 is formed on the surface 21a of the substrate 21 between the source region 23 and the drain region 24 which are separated from each other. As known to those skilled in the art, the gate insulating layer is typically silicon dioxide. However, silicon nitride and other insulators can be used.
ゲート電極を、基板21に対向して絶縁層26上に形成す
る。ゲート電極は好適には、第1導電型、ここではP型
の多結晶シリコン(ポリシリコン)ゲート電極層28を含
む。導電ゲート電極層、代表的には金属ゲート電極層29
を、ゲート絶縁層26に対向してポリシリコンゲート電極
28上に形成する。ソース電極31及びドレイン電極32、代
表的には金属も、ソース領域23及びドレイン領域24上に
それぞれ形成する。A gate electrode is formed on the insulating layer so as to face the substrate. The gate electrode preferably includes a polycrystalline silicon (polysilicon) gate electrode layer 28 of a first conductivity type, here a P-type. Conductive gate electrode layer, typically metal gate electrode layer 29
A polysilicon gate electrode facing the gate insulating layer 26.
28. A source electrode 31 and a drain electrode 32, typically a metal, are also formed on the source region 23 and the drain region 24, respectively.
第1導電型、ここではP型の基板接点33も、基板21内
の図示するようなフェルミ−タブ22の内側又はフェルミ
−タブ22の外側に形成する。図示したように、基板接点
33を、第1導電型、ここではP型でドープし、この接点
は、比較的高いドープ領域33a及び比較的低いドープ領
域33bを含むようにすることができる。基板電極34は、
基板に対する電気的な接点を確立する。A substrate contact 33 of the first conductivity type, here a P-type, is also formed in the substrate 21 inside the Fermi-tub 22 as shown or outside the Fermi-tub 22. As shown, board contacts
33 may be doped with a first conductivity type, here P-type, such that this contact comprises a relatively high doped region 33a and a relatively low doped region 33b. The substrate electrode 34
Establish electrical contact to the substrate.
図1を用いてこれまで説明した構造は、米国特許出願
第07/977,689号及び第07/826,939号の低キャパシタンス
(容量)フェルミ−FET構体に相当する。これらの出願
で既に説明されているように、チャネル36がソース領域
23とドレイン領域24との間に形成される。図1において
Yfで示した表面21aからのチャネルの深さと、図1にお
いてYoで示したチャネルの基底(底部)からフェルミ−
タブ22の底部までの深さとを、基板21、タブ領域22及び
ポリシリコンゲート電極28のドーピングレベルととも
に、上記式(2)及び(3)の関係を用いる高性能で、
低キャパシタンスの電界効果トランジスタを提供するた
めに選択する。The structure described so far with reference to FIG. 1 corresponds to the low capacitance (capacitance) Fermi-FET structures of US patent applications 07 / 977,689 and 07 / 826,939. As already described in these applications, channel 36 is the source region.
It is formed between 23 and the drain region 24. In FIG.
The depth of the channel from the surface 21a shown in Y f, Fermi from the base of the channel indicated by the Y o 1 (bottom) -
The depth to the bottom of the tub 22, along with the doping levels of the substrate 21, the tub region 22 and the polysilicon gate electrode 28, is high performance using the relationship of equations (2) and (3) above,
Choose to provide a low capacitance field effect transistor.
さらに図1を参照すると、本発明によれば、第2導電
型、ここではN型のソース注入(インジェクタ)領域37
aを、ソース領域23に隣接するとともにドレイン領域に
対向して設ける。後に説明するように、ソース注入領域
は、高電流を発生するとともに、キャリアがチャネル36
に注入される深さを制御することによりフェルミ−FET
を実現する。ソース注入領域37aは、ソース領域23とド
レイン領域24との間のみに延在させることができる。ソ
ース注入領域は好適には、図1に示すように、ソース注
入タブ領域37を形成するソース領域23を囲むのが好適で
ある。ソース領域23の側面及び底面をソース注入タブ領
域37により完全に囲むことができる。或は又、ソース領
域23の側面をソース注入タブ領域37によって囲むが、こ
れをソース注入タブ領域37を貫通してその底面に突出さ
せることもできる。さらに、ソース注入領域37aが基板2
1内に延在させて、フェルミ−タブ22と基板21との間に
接合を形成することもできる。ドレイン注入領域38a、
好適にはドレイン領域24を囲むドレイン注入タブ領域38
をも設けるのが好適である。Still referring to FIG. 1, in accordance with the present invention, a source conductivity (injector) region 37 of the second conductivity type, here N-type.
a is provided adjacent to the source region 23 and opposed to the drain region. As will be described later, the source injection region generates a high current,
Fermi-FET by controlling the depth injected into the
To achieve. The source injection region 37a can extend only between the source region 23 and the drain region 24. The source implant region preferably surrounds the source region 23 forming the source implant tab region 37, as shown in FIG. The side and bottom surfaces of the source region 23 can be completely surrounded by the source implantation tab region 37. Alternatively, the side surface of the source region 23 is surrounded by the source implantation tab region 37, which may penetrate the source implantation tab region 37 and project to the bottom surface. Further, the source injection region 37a is
Extending into 1 may form a bond between Fermi-tub 22 and substrate 21. Drain injection region 38a,
Drain implant tub region 38, preferably surrounding drain region 24
It is also preferable to provide
ソース注入領域37a及びドレイン注入領域38a又はソー
ス注入タブ領域37及びドレイン注入タブ領域38は、好適
には、フェルミ−タブ22の比較的低いドーピングレベル
とソース23及びドレイン24の比較的高いドーピングレベ
ルとの中間のドーピングレベルの第2導電型、ここでは
N型にドープするのが好適である。したがって図1に示
すように、フェルミ−タブ22をNとして示し、ソース注
入タブ領域37及びドレイン注入タブ領域38をN+として
示し、ソース領域23及びドレイン領域24をN++として
示す。このようにして単一接合トランジスタを形成す
る。The source implant region 37a and the drain implant region 38a or the source implant tub region 37 and the drain implant tub region 38 preferably have a relatively low doping level of the Fermi-tub 22 and a relatively high doping level of the source 23 and the drain 24. It is preferred to dope to a second conductivity type of intermediate doping level, here N-type. Thus, as shown in FIG. 1, the Fermi-tub 22 is designated as N, the source implanted tub region 37 and the drain implanted tub region 38 are designated as N +, and the source region 23 and the drain region 24 are designated as N ++. Thus, a single junction transistor is formed.
本発明の高電流フェルミ−FETは、従来のFETの駆動電
流の約4倍の駆動電流を発生させる。ゲートキャパシタ
ンスは、従来のFET装置の約半分となる。ソース注入タ
ブ領域37のドーピング濃度は、チャネル領域36に注入し
たキャリアの深さを代表的には約1000Åに制御する。ソ
ース注入タブ領域37のドーピング濃度を代表的には2E18
とし、好適には、このソース注入タブ領域37は、注入し
た多数キャリアの所望の最大深さと少なくとも同等の深
さを有する。ソース注入タブ領域37はフェルミ−タブ領
域22と同一の深さまで延在して、後に説明するようにサ
ブスレスホールド漏洩電流(subthreshold leakage cur
rent)を最小にする。チャネル36に注入したキャリヤ濃
度がドレインに対向するソース注入領域37aのドーピン
グ濃度を超えることができないことを示す。ドレインに
対向するソース注入領域37aの一部の幅を、代表的には
0.05〜0.15μmの範囲とする。ソース領域23及びドレイ
ン領域24のそれぞれのドーピング濃度を、代表的には1E
19以上とする。フェルミ−タブ22の深さ(Yf+Yo)を、
約1.8E16のドーピング濃度で約2200Åとする。The high current Fermi-FET of the present invention generates a driving current that is about four times the driving current of the conventional FET. Gate capacitance is about half that of conventional FET devices. The doping concentration of the source injection tub region 37 controls the depth of carriers injected into the channel region 36 typically to about 1000 °. The doping concentration of the source implantation tub region 37 is typically 2E18
Preferably, the source implanted tub region 37 has a depth at least equal to the desired maximum depth of the implanted majority carriers. The source implanted tub region 37 extends to the same depth as the Fermi-tub region 22 to provide a subthreshold leakage current, as described below.
rent). This shows that the carrier concentration injected into the channel 36 cannot exceed the doping concentration of the source injection region 37a facing the drain. The width of a part of the source injection region 37a facing the drain is typically
The range is 0.05 to 0.15 μm. The doping concentration of each of the source region 23 and the drain region 24 is typically 1E
19 or more. The depth of the Fermi-tub 22 ( Yf + Yo )
The doping concentration of about 1.8E16 is about 2200 °.
図1に示すように、高電流フェルミ−FET20は、基板
表面21a2上のゲート側壁(サイドウォール)スペーサ41
も含み、このゲート側壁スペーサ41は、隣接するソース
注入領域37aから隣接するポリシリコンゲート電極28ま
で延在する。ゲート側壁スペーサ41は好適には、隣接す
るドレイン注入領域38aから隣接するポリシリコンゲー
ト電極28までも延在する。特に、図1に示すように、ゲ
ート側壁スペーサ41は、ポリシリコンゲート電極側壁28
aから延在し、ソース注入領域37a及びドレイン注入領域
38a上にそれぞれ横たわる。好適には、ゲート側壁スペ
ーサ41によってポリシリコンゲート電極28を囲む。また
好適には、後に説明するように、ゲート絶縁層26は、基
板表面21a上のソース注入領域37a及びドレイン注入領域
38a上に延在し、ゲート側壁スペーサ41は、ソース注入
領域37及びドレイン注入領域38上にも延在させる。As shown in FIG. 1, a high-current Fermi-FET 20 includes a gate side wall (side wall) spacer 41 on a substrate surface 21a2.
The gate sidewall spacer 41 extends from the adjacent source implantation region 37a to the adjacent polysilicon gate electrode 28. Gate sidewall spacer 41 preferably also extends from adjacent drain implant region 38a to adjacent polysilicon gate electrode 28. In particular, as shown in FIG. 1, the gate sidewall spacer 41 is
a, the source implantation region 37a and the drain implantation region
Lying on each 38a. Preferably, polysilicon gate electrode 28 is surrounded by gate sidewall spacers 41. Also preferably, as described later, the gate insulating layer 26 is formed on the source surface 37a and the drain region on the substrate surface 21a.
Extending over 38a, gate sidewall spacer 41 also extends over source implant region 37 and drain implant region 38.
ゲート側壁スペーサ41によりフェルミ−FET20のピン
チオフ電圧は低減し、後に詳細に説明する方法でその飽
和電流は増大する。好適には、ゲート側壁スペーサを、
ゲート絶縁層26の誘電率より高い誘電率を有する絶縁体
とする。したがって、例えば、ゲート絶縁層26を二酸化
ケイ素とする場合、ゲート側壁スペーサを好適には窒化
ケイ素とする。ゲート絶縁層26を窒化ケイ素とする場
合、ゲート側壁スペーサを好適には窒化ケイ素の誘電率
より高い誘電率を有する絶縁体とする。The gate side wall spacer 41 reduces the pinch-off voltage of the Fermi-FET 20 and increases its saturation current in a manner described in detail below. Preferably, the gate side wall spacer is
An insulator having a higher dielectric constant than the gate insulating layer 26 is used. Thus, for example, if the gate insulating layer 26 is silicon dioxide, the gate sidewall spacer is preferably silicon nitride. When the gate insulating layer 26 is made of silicon nitride, the gate sidewall spacer is preferably made of an insulator having a dielectric constant higher than that of silicon nitride.
図1に示すように、ゲート側壁スペーサ41は、ソース
領域23及びドレイン領域24の上にそれぞれ延在させるこ
とができ、ソース電極31及びドレイン電極32をそれぞ
れ、ゲート側壁スペーサ領域の延長部に形成することが
できる。従来のフィールド酸化膜領域又は他の絶縁体42
の領域は、ソース接触、ドレイン接触及び基板接触を分
離する。ゲート側壁スペーサ41の外側表面41aを断面図
に曲線として示しているが、三角形断面を形成する直線
外側表面又は矩形断面を形成する直角外側表面のような
他の形態のものを用いることもできることは、当業者に
理解できる。As shown in FIG. 1, a gate sidewall spacer 41 can extend over the source region 23 and the drain region 24, respectively, and a source electrode 31 and a drain electrode 32 are formed at extensions of the gate sidewall spacer region, respectively. can do. Conventional field oxide region or other insulator 42
Regions separate the source, drain and substrate contacts. Although the outer surface 41a of the gate sidewall spacer 41 is shown as a curve in the cross-sectional view, other forms may be used, such as a straight outer surface forming a triangular cross section or a right outer surface forming a rectangular cross section. Can be understood by those skilled in the art.
0.8μmの高電流フェルミ−FETの設計 図2A〜2Cを参照して、図1に示すような0.8μmのチ
ャネル高電流フェルミ−FETを設計するための好適なド
ーピングプロフィール及び幾何図形的配列を説明する。
NチャネルFETとPチャネルFETの両方を同様の方法で製
造できることは当業者には理解できる。図2A〜2Cを、図
5B〜5Cに示すドレイン電流特性が導き出される0.8μm
チャネル長の装置を形成するNチャネル高電流フェルミ
−FETドーピングプロファイルをグラフに示すシミュレ
ーション結果とする。これらドーピングプロフィールの
達成方法は当業者には既知であり、多数の既知の方法が
用いられている。0.8 μm High Current Fermi-FET Design Referring to FIGS. 2A-2C, a preferred doping profile and geometry for designing a 0.8 μm channel high current Fermi-FET as shown in FIG. 1 is described. I do.
One skilled in the art will understand that both N-channel FETs and P-channel FETs can be manufactured in a similar manner. Figures 2A-2C
0.8 μm from which the drain current characteristics shown in 5B to 5C are derived
The N-channel high-current Fermi-FET doping profile that forms a device with a channel length is a simulation result shown in a graph. Methods of achieving these doping profiles are known to those skilled in the art, and a number of known methods have been used.
図2A〜2Cの例では、ポリシリコンゲート電極28のP型
ドーピング濃度を、Pチャネル又はNチャネルに対して
2E19とする。SiO2ゲート絶縁層26を140Åの厚さとす
る。ポリシリコンゲート電極28の厚さを3000Åとする。
ゲート側壁スペーサ41の高さも3000Åとし、ゲート側壁
スペーサ41を窒化ケイ素で製造する。ドレインと対向す
るソース注入タブ領域部37aの幅を約0.1μmとし、ゲー
ト絶縁層26はこの領域に約0.05μm重複する。2A to 2C, the P-type doping concentration of the polysilicon gate electrode 28 is changed with respect to the P-channel or the N-channel.
2E19. The SiO 2 gate insulating layer 26 has a thickness of 140 °. The thickness of the polysilicon gate electrode 28 is 3,000 mm.
The height of the gate side wall spacer 41 is also 3000 mm, and the gate side wall spacer 41 is made of silicon nitride. The width of the source injection tab region 37a facing the drain is set to about 0.1 μm, and the gate insulating layer 26 overlaps this area by about 0.05 μm.
ここで図2Aを参照して、図1の線2A−2A´に沿って、
面21aに垂直な、ソース23を中心とした垂直ドーピング
プロフィールを説明する。また、プロフィールが適用さ
れる領域を、図2Aの水平軸の頂部にラベルを付して示
す。図示するように、側壁スペーサ41は約140Åの厚さ
を有し、ソース領域23は面21aから約2000Åの深さを有
する。ソース注入タブ領域37は面21aから約2000Åの深
さを有し、フェルミ−タブ22は面21aから2200Åの深さ
(Yf+Yo)を有する。基板21の厚さを約1μmとする。
ソース注入タブ37のドーピング濃度を約2E18とし、ソー
ス領域23のドーピング濃度を約2.5E19とする。Referring now to FIG. 2A, along line 2A-2A 'in FIG.
A vertical doping profile centered on the source 23 and perpendicular to the surface 21a will be described. The area to which the profile applies is also shown labeled on top of the horizontal axis in FIG. 2A. As shown, side wall spacer 41 has a thickness of about 140 °, and source region 23 has a depth of about 2000 ° from surface 21a. Source implanted tub region 37 has a depth of about 2000 ° from surface 21a, and Fermi-tub 22 has a depth (Y f + Y 0) of 2200 ° from surface 21a. The thickness of the substrate 21 is about 1 μm.
The doping concentration of the source implantation tab 37 is about 2E18, and the doping concentration of the source region 23 is about 2.5E19.
図2Bを、図1の線2B−2B´に沿って示すドーピングプ
ロフィールとする。図2Bに示すように、フェルミ−タブ
22を、ダブルハンプ(double hump)を生じるダブル注
入工程を用いて実現した。しかしながら、所望の場合に
は、フェルミ−タブに対して均一のドーピングプロフィ
ールを形成するために多重注入又は他の技術を用いるこ
とができることは、当業者には理解できる。図示したよ
うに、フェルミ−タブ22の深さを、1.8E16の平坦領域の
平均濃度で約2200Åとする。有効なハンプバック基板の
ドーピング濃度を約1E17とする。FIG. 2B is the doping profile shown along the line 2B-2B ′ in FIG. As shown in FIG. 2B, Fermi-tub
22 was realized using a double injection step resulting in a double hump. However, those skilled in the art will appreciate that multiple implants or other techniques can be used to create a uniform doping profile for the Fermi-tub, if desired. As shown, the Fermi-tub 22 has a depth of about 2200 ° at an average concentration of a flat area of 1.8E16. The effective doping concentration of the humpback substrate is about 1E17.
図2Cは、図1の線2C−2C´に沿うドーピングプロフィ
ールを示す。換言すれば、このドーピングプロフィール
は、ソース領域23の中央から、ソース注入領域37a、チ
ャネル36及びドレイン注入領域38aを経たドレイン24の
中央までのドーピングプロフィールである。これら領域
を図2Cに同様に符号を付して示す。FIG. 2C shows the doping profile along the line 2C-2C 'in FIG. In other words, the doping profile is from the center of the source region 23 to the center of the drain 24 via the source implanted region 37a, the channel 36 and the drain implanted region 38a. These regions are similarly denoted by reference numerals in FIG. 2C.
図3につき、ソースインジェクタ領域37aおよびゲー
トサイドウォールスペーサ領域41の作動を説明するため
に、ソース23およびポリシリコンゲート電極28間の区域
の拡大断面を示す。ゲート電圧がソース電圧以上になる
と、電界Eiiはソースインジェクタ領域37aおよびゲート
サイドウォールスペーサ領域41間の界面39で終了する。
この電界Eiiはポリシリコンゲート電極28と前記界面39
におけるインジェクタ領域37aの表面との間の電位差に
よって発生する。この電界によって図3に示すようにイ
ンジェクタ37aの表面の深さδ内で電荷蓄積を行う。イ
ンジェクタ−絶縁体の界面39の境界条件から発散定理を
用いて、次式で示す条件を得る。Referring to FIG. 3, an enlarged cross section of the area between source 23 and polysilicon gate electrode 28 is shown to illustrate the operation of source injector region 37a and gate sidewall spacer region 41. When the gate voltage becomes equal to or higher than the source voltage, the electric field E ii ends at the interface 39 between the source injector region 37a and gate sidewall spacer region 41.
The electric field Eii is applied to the polysilicon gate electrode 28 and the interface 39.
At the surface of the injector region 37a. Due to this electric field, charge accumulation is performed within the depth δ of the surface of the injector 37a as shown in FIG. Using the divergence theorem from the boundary condition of the injector-insulator interface 39, the following condition is obtained.
ここにesは基板21の誘電率、Esは界面39におけるイン
ジェクタ37aの電界、eiiはスペーサ領域41の誘電率、E
iinは界面39におけるスペーサ領域41の電界である。 Here e s is the permittivity of the substrate 21, E s is the injector 37a at interface 39 field, e ii is the permittivity of the spacer region 41, E
iin is the electric field of the spacer region 41 at the interface 39.
これがため、シリコン表面の電界Esは次式で示すよう
に界面における種々の誘電率およびインジェクタ絶縁体
の電界Eiinによって表わすことができる。For this reason, the electric field E s at the silicon surface can be represented by various dielectric constants at the interface and the electric field E iin of the injector insulator as shown by the following equation.
ソース23が接地電位にあり、ポリシリコンゲート電極
28が接地電極以上のゲート電圧Vgにある(Nチャネル)
場合には、インジェクタ絶縁体の電界Eiinは次式で示す
ように有効スペーサ領域の絶縁体の厚さβTinで除算さ
れたゲートおよびインジェクタ表面電位φs間の差とし
て表わされ、ここにVtは閾値電圧である。 Source 23 is at ground potential and the polysilicon gate electrode
28 is in the gate voltage V g of the above ground electrodes (N-channel)
In the case, the electric field E iin of the injector insulator is expressed as the difference between the gate and injector surface potential φ s divided by the insulator thickness βT in of the effective spacer region as shown in the following equation: V t is the threshold voltage.
フリンジ電界ファクタβを一般に1以上とするととも
にこれは図3に示すようにポリシリコンゲート電極28お
よび界面39からのファクタ電界経路の長さに依存する。
長いチャネル装置ではβは1.0に近似し、短いチャネル
装置ではβ>1.0となる。この差は絶縁体界面上のポリ
シリコンゲート電極層28の電荷蓄積層の深さに依存す
る。短いチャネル装置ではこの深さはフリンジファクタ
βを増大する傾向が強くなる。 The fringe field factor β is generally greater than or equal to one and depends on the length of the factor field path from the polysilicon gate electrode 28 and interface 39 as shown in FIG.
Β is close to 1.0 for long channel devices and β> 1.0 for short channel devices. This difference depends on the depth of the charge storage layer of the polysilicon gate electrode layer 28 on the insulator interface. For short channel devices, this depth tends to increase the fringe factor β.
ゲートサイドウォールスペーサ41はゲート絶縁層26と
同一材料とすることができる。しかし、一般にはサイド
ウォールスペーサ41の誘電率eiiはゲート絶縁層26の誘
電率egiよりも大きくする必要がある。好適には、その
比eii/egiをフリンジファクタβに少なくとも等しくす
る必要がある。β=1の場合には、増大した誘電率はサ
ブスレシホルド漏洩電流を減少するように作用する。絶
縁材料としてはゲート絶縁体26に対し二酸化シリコン
(SiO2)、ゲートサブスペーサ41に対し窒化シリコン
(Si3N4)を選択するのが好適である。The gate sidewall spacer 41 can be made of the same material as the gate insulating layer 26. However, generally, the dielectric constant e ii of the sidewall spacer 41 needs to be larger than the dielectric constant e gi of the gate insulating layer 26. Preferably, the ratio e ii / e gi should be at least equal to the fringe factor β. For β = 1, the increased dielectric constant acts to reduce the sub-threshold leakage current. As an insulating material, it is preferable to select silicon dioxide (SiO 2 ) for the gate insulator 26 and silicon nitride (Si 3 N 4 ) for the gate sub-spacer 41.
式(5)および(6)から表面電界Esは次式で示すよ
うに導出することができる。Surface field E s from Equation (5) and (6) can be derived as shown by the following equation.
ここにδは蓄積領域の深さ、qは電荷、Nac(y)は
インジェクタの表面における蓄積電荷の深さに依存する
濃度である。 Here, δ is the depth of the storage region, q is the charge, and N ac (y) is the concentration depending on the depth of the stored charge on the surface of the injector.
フェルミFETの導通は反転よりも電荷蓄積に依存する
ため、ドレイン電圧が低いゲート電極の下側の多数キャ
リアの全等価蓄積に対しても同様の式で表わすことがで
きる。この電荷の実際に流れる深さδは注入プロフィー
ルによって制御する。この式は次式で表わされる。Since the conduction of the Fermi-FET depends on the charge accumulation rather than the inversion, the same equation can be expressed for the total equivalent accumulation of the majority carriers under the gate electrode where the drain voltage is low. The actual depth δ of this charge is controlled by the injection profile. This equation is represented by the following equation.
表面電位φsおよび表面電界es間の基本的な関係を以
下に説明する。ドレイン電圧が零に近づくと、チャネル
領域36の全電荷は次式で表わされる。 The basic relationship between the surface potential φ s and the surface electric field e s will be described below. As the drain voltage approaches zero, the total charge in channel region 36 is given by:
ここにNch(y)は垂直方向に測定されたチャネル電
荷の体積密度、δはチャネルのソース端に流れる電荷の
深さである。チャネルのソース端における絶縁体−シリ
コン界面39のシリコンの垂直電界密度Esは発散定理を用
いて次式のように表わされる。 Here, N ch (y) is the volume density of the channel charge measured in the vertical direction, and δ is the depth of the charge flowing to the source end of the channel. Insulator at the source end of the channel - the vertical field density E s of the silicon of the silicon surface 39 can be expressed by the following equation using the divergence theorem.
式(9)および(10)を比較することにより、表面電
界Esは、チャネルの深さ方向内の電荷分布とは無関係で
単位面積当たりの総電荷Q*にのみ依存するようにな
る。これがため表面電界は次式で表わされる。 By comparing the expressions (9) and (10), the surface electric field E s becomes dependent only on the total charge Q * per irrelevant unit area and charge distribution in the depth direction of the channel. Therefore, the surface electric field is expressed by the following equation.
次に、この同一チャネル電荷分布によるチャネルのソ
ース端の表面電位を求める。ポアソンの式を用いること
によりチャネルのソース端におけるインジェクタ絶縁体
の下側の表面電位は次式で表わされる。 Next, the surface potential at the source end of the channel based on the same channel charge distribution is determined. Using Poisson's equation, the surface potential under the injector insulator at the source end of the channel is:
次いでソース−チャネル界面における過剰電荷のフェ
ルミチャネル領域内へのゲート誘起注入は表面インジェ
クタ領域37aの特性に依存する電荷流深さにおいて全く
均一となる。これらの状況の下で電荷流深さδ内ではN
ch(y)=Ndoとするのが妥当である。この条件により
次(12)から次式が得られる。 The gate-induced injection of excess charge at the source-channel interface into the Fermi channel region is then quite uniform at the charge flow depth depending on the properties of the surface injector region 37a. Under these circumstances, N within the charge flow depth δ
It is appropriate to set ch (y) = N do . Under this condition, the following equation is obtained from the following (12).
従って、式(9)から条件Nch(y)=Ndoによってソ
ース電位φsおよび表面電界Es間の基本的関係が次式で
示されるように導出される。 Therefore, the basic relationship between the source potential φ s and the surface electric field E s is derived from Expression (9) under the condition N ch (y) = N do as shown by the following expression.
換言すれば、チャネルのソース端知覚の表面電位は電
荷流チャネル深さδの1/2と表面電位Esとの積である。 In other words, the surface potential of the source terminal perception of the channel is the product of 1/2 and a surface potential E s of the charge flow channel depth [delta].
式(14)を式(8)に代入することにより表面電界Es
の解が次式のように得られる。By substituting equation (14) into equation (8), the surface electric field E s
Is obtained as follows.
式(15)のファクタδ図3に示すようにタブ−FETチ
ャネルの有効キャリア流深さに対応する。有効ゲート容
量Cg*F/cm2は次式で与えられる。 The factor δ in equation (15) corresponds to the effective carrier flow depth of the tub-FET channel as shown in FIG. The effective gate capacitance C g * F / cm 2 is given by the following equation.
従って、式(15)を用いてドレイン飽和電流およびそ
の構造依存性を次式で示すように予測することができ
る。 Therefore, the drain saturation current and its structure dependency can be predicted as shown by the following equation using equation (15).
換言すれば、ドレイン飽和電流は有効ゲート容量C
g*、チャネル幅Z、キャリア速度Vおよびゲート駆動
電圧Cg−Vtの積に依存する。チャネル長さLoは式(17)
には直接現わない。このチャネル長さの役割を示すため
に、示す(17)のキャリア速度Vの表現をさらに行う。
式(17)はキャリア易動度μおよび横方向電界E1の積に
よって次式で示すように書き直すことができる。 In other words, the drain saturation current is the effective gate capacitance C
g *, channel width Z, carrier speed V, and gate drive voltage C g −V t . The channel length Lo is given by equation (17).
Does not appear directly. In order to show the role of the channel length, the expression of the carrier velocity V shown in (17) is further performed.
Equation (17) can be rewritten by the product of the carrier mobility μ and lateral field E 1 as shown in the following equation.
従って、電子を考慮すると次式が成立する。 Therefore, the following equation holds when electrons are considered.
式(19a)−(19d)を式(17)に代入すると、ドレイ
ン飽和電流に対する基本解が次式で示すように得られ
る。 By substituting equations (19a)-(19d) into equation (17), a basic solution for the drain saturation current is obtained as shown in the following equation.
ここにCg*は式(16)で与えられている。 Here, C g * is given by equation (16).
同様に、Pチャネル装置に対するドレイン飽和電流は
次式で表わすことができる。Similarly, the drain saturation current for a P-channel device can be expressed as:
短チャネル装置でゲート駆動電流が大きい場合には、
飽和電流は次式で示すようにチャネル長さおよびキャリ
ア易動度とは無関係に簡単な式で表わすことができる。 If the gate drive current is large in a short channel device,
Saturation current can be expressed by a simple equation independent of channel length and carrier mobility as shown in the following equation.
従って、フェルミFETのドレイン飽和電流を求めるに
当たり、ほぼ1μm以下のチャネル長さLoは殆ど役に立
たない。飽和電流の最も基本的な制御はインジェクタ絶
縁体の厚さ、その相対誘電率および有効電荷流深さδで
ある。インジェクタタブドーピング濃度を適宜選定して
電荷流深さδを200Å以上となるように調整する。 Therefore, when determining the drain saturation current of the Fermi-FET, L o is of little use channel length of approximately 1μm or less. The most basic control of the saturation current is the thickness of the injector insulator, its relative permittivity and the effective charge flow depth δ. The injector tab doping concentration is appropriately selected and the charge flow depth δ is adjusted to be 200 ° or more.
図4Aおよび4BはNおよびPチャネルタブFETのシミュ
レートされたドレイン飽和電流をチャネル長さLoおよび
ゲート絶縁層の厚さTginの関係としてプロットして示
す。Nチャネル長さに対する相対的不感性を絶縁体の厚
さに対して比較する。Pチャネル装置はホール(正孔)
速度に及ぼす横方向電界効果のためチャネル長さに一層
鋭敏となる。図4Cはδ=200Åのときのシミュレートさ
れたゲート容量対ゲート絶縁層の厚さをプロットして示
す。4A and 4B show the simulated drain saturation current of N and P channel tub FETs plotted as a function of channel length Lo and gate insulating layer thickness Tgin . The relative insensitivity to N-channel length is compared against insulator thickness. P channel device is a hole (hole)
It becomes more sensitive to channel length due to the lateral electric field effect on velocity. FIG. 4C shows a plot of simulated gate capacitance versus gate insulating layer thickness when δ = 200 °.
次式がタブFETの設計で満足された際には、飽和電流
が最大でサブスレシホルド基底電流が少ない場合の最低
ピンチ−オフ電圧が所定のインジェクタタブ深さに対し
て得られる。この式はインジェクタ37、スペーサ41およ
びゲート絶縁体26の誘電率に関係する。When the following equation is satisfied in the design of the tub FET, the lowest pinch-off voltage for maximum saturation current and low subthreshold base current is obtained for a given injector tub depth. This equation relates to the dielectric constant of the injector 37, the spacer 41 and the gate insulator 26.
また、タブFET設計の1つとして式(18)から次式が
得られる。 The following equation is obtained from equation (18) as one of the tab FET designs.
ここでTiin=Tginとすると、次式が得られる。 Here, if T iin = T gin , the following equation is obtained.
実際に高電流フェルミFETを設計する場合にはゲート
サイドウォールスペーサ41には窒化シリコン(Si3N4)
を用い、ゲート絶縁体26には二酸化シリコン(SiO2)を
用いることができる。窒化シリコンの誘電率は7E−13F/
cmであり、二酸化シリコンの誘電率は3.45E−13F/cmで
ある。従って比はβ=1.5以上となる。極めて高い駆動
電流のフェルミFETの1.6ma/μmNチャネル装置および0.8
ma/μmPチャネル装置では100Åの窒化シリコンゲート絶
縁体を用いるのが好適である。二酸化シリコン絶縁体の
場合とは異なり、窒化シリコン絶縁体は高い電界強度1E
7V/cmを有し、従って薄くすることができ、しかも高い
ゲートブレークダウン電圧を保持し、完全な経年絶縁状
態を改善することができる。窒化ゲート絶縁体を用いる
フェルミFETではスペーサおよびインジェクタ絶縁体は
窒化物とし得るが、スペーサおよびサイドウォール絶縁
体材料は誘電率の2倍のものとするのが好適である。ゲ
ートサイドウォールスペーサ41は面21a上に直接延在さ
せる必要はないが、サイドウォールスペーサ41の材料以
外の材料の薄い絶縁層をインジェクタ37およびサイドウ
ォールスペーサ41間の界面39に形成することができる。 When actually designing a high current Fermi FET, silicon nitride (Si 3 N 4 ) is used for the gate sidewall spacer 41.
And silicon dioxide (SiO 2 ) can be used for the gate insulator 26. The dielectric constant of silicon nitride is 7E-13F /
cm and the dielectric constant of silicon dioxide is 3.45E-13F / cm. Accordingly, the ratio becomes β = 1.5 or more. 1.6 ma / μm N-channel device and 0.8 in very high drive current Fermi-FET
For ma / μm P-channel devices, it is preferred to use a 100 ° silicon nitride gate insulator. Unlike silicon dioxide insulators, silicon nitride insulators have a high field strength of 1E
It has 7 V / cm and can therefore be made thinner, yet maintain a high gate breakdown voltage and improve complete aging. In a Fermi-FET using a nitrided gate insulator, the spacer and injector insulator can be nitride, but preferably the spacer and sidewall insulator material is twice the dielectric constant. The gate sidewall spacer 41 does not need to extend directly on the surface 21a, but a thin insulating layer of a material other than the material of the sidewall spacer 41 can be formed at the interface 39 between the injector 37 and the sidewall spacer 41. .
図5Bおよび5Cは0.8μmのNチャネル高電流フェルミF
ET装置のシミュレートされたドレイン電流特性を示す。
図5Aは従来の0.8μmMOS Nチャネル装置の状態を同様
にシミュレートして示す。図5Aには150ÅSiO2ゲート絶
縁体を有する5V MOS技術を示す。図5Bは140Å、SiO2、
ゲート絶縁体を有する高電流フェルミFETの特性をシミ
ュレートして示す。図5Cは100Å、窒化シリコン、ゲー
ト絶縁体を有する高電流フェルミFETをシミュレートし
て示す。双方の場合に高電流フェルミFET装置のドレイ
ン電流特性およびピンチ−オフ特性はMOSまたは埋設チ
ャネル技術に比較して著しく優れている。即ち、MOSま
たは埋設チャネル技術と比較してPチャネル高電流フェ
ルミFET装置にも同様の改善が得られる。即ち、Pチャ
ネル飽和電流は代表的にはNチャネル飽和電流の1/2で
あり、ピンチ−オフ電圧はNチャネル装置の場合のほぼ
2倍である。5B and 5C show 0.8 μm N-channel high current Fermi F
3 shows a simulated drain current characteristic of an ET device.
FIG. 5A shows a similar simulated state of a conventional 0.8 μm MOS N-channel device. FIG. 5A shows a 5V MOS technology with a 150 ° SiO 2 gate insulator. FIG.5B shows 140 °, SiO 2 ,
The characteristics of a high-current Fermi-FET having a gate insulator are simulated and shown. FIG. 5C shows a simulated high current Fermi-FET with 100 °, silicon nitride, and gate insulator. In both cases, the drain current and pinch-off characteristics of the high current Fermi-FET device are significantly better than MOS or buried channel technology. That is, similar improvements are obtained for P-channel high current Fermi-FET devices as compared to MOS or buried channel technology. That is, the P-channel saturation current is typically one-half of the N-channel saturation current, and the pinch-off voltage is approximately twice that of an N-channel device.
図5Bおよび4Cの高電流フェルミFET装置の代表的な基
底電流およびサブスレシホルド漏洩特性を図6Aおよび6B
に示す。Nチャネル高電流フェルミFETの特性を図6Aに
示すとともにPチャネル高電流フェルミFETの特性を図6
Bに示す。即ち、これらの図にはμm幅当たりの0.8μm
のトランジスタのNチャネル電流、およびμm幅当たり
の0.8μmのトランジスタのPチャネル電流をそれぞれ
示す。基底電流は室温で5Vバイアスで、代表的には2E−
13A/μmである。これは後述する短チャネル技術を用い
て2E−15A/μmに減少させることができる。Representative base current and sub-threshold leakage characteristics of the high current Fermi-FET devices of FIGS. 5B and 4C are shown in FIGS. 6A and 6B.
Shown in FIG. 6A shows the characteristics of the N-channel high-current Fermi-FET, and FIG. 6 shows the characteristics of the P-channel high-current Fermi-FET.
Shown in B. That is, these figures show 0.8 μm per μm width.
, And the P-channel current of a 0.8 μm transistor per μm width are shown. Base current is 5V bias at room temperature, typically 2E-
13 A / μm. This can be reduced to 2E-15A / μm using the short channel technology described below.
図7は種々の異なるサイドウォールスペーサ構体41
(図1)を有する5V、Nチャネル、高電流フェルミFET
のドレイン電流のシュミレートされた比較プロットの最
悪の場合を示す。全てのプロットにおいて、SiO2ゲート
絶縁体28の厚さは132Åとする。種々のフェルミFET構体
を図8Aおよび8Cに示す。FIG. 7 shows a variety of different sidewall spacer structures 41.
5V, N-channel, high-current Fermi-FET with (Figure 1)
2 shows the worst case of a simulated comparison plot of the drain current of FIG. In all plots, the thickness of the SiO 2 gate insulator 28 is 132 °. Various Fermi-FET structures are shown in FIGS. 8A and 8C.
図8Aはゲートサイドウォールスペーサ41を窒化シリコ
ンとし、ゲート絶縁体26を二酸化シリコンとした例1を
示す。またゲート絶縁体16を界面39においてインジェク
タ37aの頂部にも僅かだけ重畳して示す。図8Bはゲート
サイドウォールスペーサ41を窒化シリコンとし、ゲート
絶縁体26を二酸化シリコンとした例2を示す。この場合
にはゲート絶縁体26を界面39においてソースインジェク
タ領域37aに重畳しない。図8Cはゲートサイドウォール
スペーサ41およびゲート絶縁体26の双方を二酸化シリコ
ンとした例3を示す。この構体も、ポリシリコンゲート
28の縁部が界面39においてソースインジェクタ領域37a
に僅かだけ重畳するように構成されている。全ての場合
に有効チャネルの長さを0.71μmとした。FIG. 8A shows Example 1 in which the gate sidewall spacer 41 is made of silicon nitride and the gate insulator 26 is made of silicon dioxide. Also, the gate insulator 16 is shown at the interface 39 so as to be slightly superimposed on the top of the injector 37a. FIG. 8B shows Example 2 in which the gate sidewall spacer 41 is made of silicon nitride and the gate insulator 26 is made of silicon dioxide. In this case, the gate insulator 26 does not overlap the source injector region 37a at the interface 39. FIG. 8C shows Example 3 in which both the gate sidewall spacer 41 and the gate insulator 26 are made of silicon dioxide. This structure is also a polysilicon gate
28 edge at source interface 39a source injector region 37a
It is configured to slightly overlap with. In all cases, the effective channel length was 0.71 μm.
図7に示すように、例1ではドレイン飽和電流が最大
となり、ピンチ−オフ電圧は少ない。また例1によって
任意のドレイン電圧でサブ−スレシホルド基底電流を最
低とすることを確かめた。さらに例1は式(24)および
(25)により特定された条件を満足するものである。従
って、例1が好適である。その理由はゲート絶縁領域26
が界面39でソースインジェクタ領域37a上に部分的に重
畳するとともにゲートサイドウォールスペーサ領域41の
誘電率がゲート絶縁領域26の誘電率よりも大きいからで
ある。As shown in FIG. 7, in Example 1, the drain saturation current is maximum and the pinch-off voltage is small. Example 1 also confirmed that the sub-threshold base current was minimized at an arbitrary drain voltage. Example 1 further satisfies the conditions specified by equations (24) and (25). Therefore, Example 1 is preferred. The reason is that the gate insulation region 26
Is partially overlapped on the source injector region 37a at the interface 39, and the dielectric constant of the gate sidewall spacer region 41 is larger than the dielectric constant of the gate insulating region 26.
低漏洩電流フェルミしきい値電界効果トランジスタ 次に図9A及び図9Bを用いて、本発明による低漏洩電流
を依然として生成する短チャネルを持つフェルミFETを
説明する。このデバイスを以後「低漏洩電流フェルミFE
T」と呼ぶことにする。図9Aの低漏洩電流フェルミFET50
は、第1導電型すなわち本例ではP導電型の、基板21に
関して高濃度でドープされた底部漏洩電流制御領域51を
含む。従ってそれは図9AではP+と記されている。図9B
の低漏洩電流フェルミFET60は、拡大されたソース及び
ドレイン注入領域37a,38aを含み、これらはフェルミ槽2
2の深さまで延びているのを好適とする。Low Leakage Current Fermi Threshold Field Effect Transistor A Fermi FET with a short channel that still produces low leakage current according to the present invention will be described with reference to FIGS. 9A and 9B. This device was subsequently referred to as "Low leakage current Fermi FE
T ". 9A low leakage current Fermi-FET50
Includes a bottom leakage current control region 51 of the first conductivity type, ie, the P conductivity type, which is heavily doped with respect to the substrate 21. It is therefore marked P + in FIG. 9A. FIG.
Low leakage current Fermi FET 60 includes enlarged source and drain injection regions 37a, 38a,
Preferably, it extends to a depth of 2.
図9Aを見れば、底部漏洩電流制御領域51は、ソース及
びドレイン領域23及び24の向き合った端の延長間から基
板21を横断して延長され、フェルミ槽22の深さの上から
下まで基板内に延びている。それはフェルミ・チャネル
36の下にそれと一線に並んで位置するのを好適とする。
前に説明した数式と整合するように、フェルミ・チャネ
ル36から底部漏洩電流制御領域51の一番上までの深さが
Y0とされている。図9AのフェルミFETトランジスタのそ
の他の部分は、更に短いチャネルが描かれていることを
除き図1に記したものと同一である。当業者は、図9Aの
デバイスの高電流特性を持たない低漏洩電流低キャパシ
タンス短チャネル・フェルミFETを提供するには、注入
領域37a及び38aや注入槽37及び38を除外してよいし、ま
たゲート側壁スペーサー領域41を除外してよいと理解す
るであろう。9A, the bottom leakage current control region 51 extends across the substrate 21 from between the extensions of the opposed ends of the source and drain regions 23 and 24, and extends from the top of the Fermi bath 22 to the bottom. Extends into. It's Fermi Channel
Preferably it is located below 36 and in line with it.
The depth from the Fermi channel 36 to the top of the bottom leakage current control region 51 is consistent with the equation described earlier.
Y 0 . Other parts of the Fermi-FET transistor of FIG. 9A are identical to those described in FIG. 1 except that a shorter channel is depicted. Persons skilled in the art may omit the implanted regions 37a and 38a and the implanted baths 37 and 38 to provide a low leakage current low capacitance short channel Fermi FET without the high current characteristics of the device of FIG. It will be appreciated that the gate sidewall spacer region 41 may be omitted.
底部漏洩電流制御領域51は、短チャネル・フェルミ電
界効果トランジスタにおけるドレインに誘導された注入
を最小にする、すなわちこれらの電界効果トランジスタ
は約5μm又はそれ以下のチャネル長を持ち、なお且つ
低い拡散空乏キャパシタンスを維持する。例えば5ボル
トで漏洩電流は3E−13A又はそれ以下を維持できる。The bottom leakage current control region 51 minimizes the drain induced injection in short channel Fermi field effect transistors, ie, these field effect transistors have a channel length of about 5 μm or less and yet have low diffusion depletion Maintain capacitance. For example, at 5 volts, the leakage current can be maintained at 3E-13A or less.
底部漏洩電流制御領域は、図9に示すようにY0をチャ
ネルから底部漏洩電流制御領域の一番上までの深さとす
るとき、数式(2)を使って設計することができる。因
数αは底部漏洩電流制御領域51のP+ドーピングとフェ
ルミ槽22のNドーピングとの比である。底部漏洩電流制
御領域の内部ではαを約0.15に、すなわちゲート28の下
に設定するのが好適である。ソース及びドレイン領域23
及び24の下では、αを約1.0に設定して拡散空乏キャパ
シタンスを最小化する。換言すれば、基板21及びフェル
ミタブ22のドーピング濃度はソース及びドレインの下の
領域ではほぼ等しい。従って、上述の設計パラメタに対
して、及び0.5μmチャネル幅に対して、底部漏洩電流
制御領域51のドーピング濃度は約5E17であって、その深
さは、5ボルトのドレイン又はソース拡散ポテンシャル
を与えられたタブ接合領域での部分拡散を支持するのに
十分である。The bottom leakage current control region can be designed using Equation (2), where Y 0 is the depth from the channel to the top of the bottom leakage current control region as shown in FIG. The factor α is the ratio of the P + doping of the bottom leakage current control region 51 to the N doping of the Fermi bath 22. Preferably, α is set to about 0.15, ie, below the gate 28, inside the bottom leakage current control region. Source and drain region 23
Under and 24, α is set to about 1.0 to minimize diffusion depletion capacitance. In other words, the doping concentration of the substrate 21 and the Fermitab 22 is substantially equal in the region below the source and the drain. Thus, for the above design parameters, and for a 0.5 μm channel width, the doping concentration of the bottom leakage current control region 51 is about 5E17, the depth of which gives a drain or source diffusion potential of 5 volts. Sufficient to support partial diffusion in the provided tab junction area.
次に図9Bをみれば、底部漏洩電流制御に対する別の設
計は、ソース注入領域37a及びドレイン注入領域38aの深
さをフェルミタブ(Yf+Y0)の深さにまで延長するのが
好適である。図9Bに示されるように、全ソース注入タブ
37及びドレイン注入タブ38の深さが延長されたフェルミ
タブの深さにまで達するのを好適としている。注入タブ
37及び38の底部とフェルミタブ22の底部との間の分離距
離は、チャネル長の半分より小さいのが好適であり、0
に近づくのが好適である。これらの条件下で、注入タブ
37及び38はほぼ1.5E18/cm3のドーピング濃度を持つ。同
様に基板接触領域33bの深さもフェルミタブの深さに近
づくよう延長するのが好適である。図9BのフェルミFET
トランジスタ60のその他の部分は、更に短いチャネルが
描かれていることを除き図1に記したものと同一であ
る。Next Looking at Figure 9B, another design for bottom leakage current control is preferable to extend the depth of the source implant region 37a and drain injection region 38a to a depth of the Fermi tab (Y f + Y 0) is there. As shown in FIG. 9B, the All Source Injection tab
It is preferred that the depth of 37 and the drain implant tub 38 reach the depth of the extended Fermi tub. Injection tab
The separation distance between the bottom of 37 and 38 and the bottom of Fermi-tub 22 is preferably less than half the channel length,
Is preferred. Under these conditions, the injection tab
37 and 38 has a doping concentration of approximately 1.5E18 / cm 3. Similarly, it is preferable to extend the depth of the substrate contact region 33b so as to approach the depth of the Fermi-tub. Fermi-FET of Fig. 9B
Other parts of the transistor 60 are the same as those described in FIG. 1 except that a shorter channel is drawn.
0.5μm低漏洩電流フェルミFETの設計 次に図10A−10Bを参照して、図9Aに示した0.5μm低
漏洩電流フェルミFETを設計するための好適なドーピン
グのプロファイル及び幾何学的形態を説明する。当業者
は、NチャネルFETとPチャネルFETとがいずれも同様の
やり方で製造されるということを承知しているであろ
う。すべての幾何学的形態及びドーピングのプロファイ
ルは、既述のように注入領域37a及び38aの向き合った表
面間のチャネル領域36の長さが0.8μmではなく0.5μm
であり、底部漏洩電流制御領域51が付加されていること
を除き、図2A−2Cに記載のものと同一である。当業者は
多くの既知の技術を用いてこれらのドーピングプロファ
イルが達成されるにはどうすればよいかを熟知していよ
う。0.5 μm Low Leakage Current Fermi-FET Design Next, with reference to FIGS. 10A-10B, a preferred doping profile and geometry for designing the 0.5 μm low leakage current Fermi-FET shown in FIG. 9A will be described. . One skilled in the art will know that both N-channel FETs and P-channel FETs are fabricated in a similar manner. All geometries and doping profiles are such that the length of the channel region 36 between the opposing surfaces of the implanted regions 37a and 38a is 0.5 μm instead of 0.8 μm as described above.
And is the same as that described in FIGS. 2A-2C, except that a bottom leakage current control region 51 has been added. Those skilled in the art will be familiar with how to achieve these doping profiles using many known techniques.
図10Aは図9Aの線10A−10A'に沿ってチャネル36を中心
にした垂直方向のドーピングプロファイルを示す。この
プロファイルの得られる各領域は、図10Aの一番上の水
平軸に記載の通りである。図示の通り、底部漏洩電流制
御領域51は、基板21の最上面21aからの深さが1950オン
グストローム(10-10m)ないし4000オングストロームに
及んでいる。従ってそれはフェルミタブ22と基板21との
間の界面付近を中心にする。ドーピング濃度は5E17であ
る。図2A−2Cとは対照的に基板21は1E17でドープされて
いる。FIG. 10A shows the vertical doping profile centered on channel 36 along line 10A-10A ′ of FIG. 9A. Each area where this profile is obtained is as described on the top horizontal axis of FIG. 10A. As shown, the bottom leakage current control region 51 extends from 1950 angstroms (10 -10 m) to 4000 angstroms from the top surface 21a of the substrate 21. Thus, it is centered near the interface between Fermi-tub 22 and substrate 21. The doping concentration is 5E17. In contrast to FIGS. 2A-2C, the substrate 21 is doped with 1E17.
図10Bは図9Aの線10B−10B'に沿ったドーピングプロフ
ァイルを示す。図示の通り、底部漏洩電流制御領域51
は、ソース注入領域37aとドレイン注入領域38aとの間に
チャネル長とほぼ同じ長さだけ、すなわちほぼ0.5μm
だけ水平方向に延びている。FIG. 10B shows the doping profile along line 10B-10B ′ of FIG. 9A. As shown, the bottom leakage current control region 51
Is approximately the same length as the channel length between the source implantation region 37a and the drain implantation region 38a, that is, approximately 0.5 μm
Extends only horizontally.
次に図10C−10Dを参照して、図9Bに示した0.5μmチ
ャネル低漏洩電流フェルミFETを設計するための好適な
ドーピングプロファイル及び幾何学的形態を説明する。
当業者は、NチャネルFETとPチャネルFETとがいずれも
同様のやり方で製造されるということを承知しているで
あろう。すべての幾何学的形態及びドーピングプロファ
イルは、ソース注入領域37、ドレイン注入領域38、及び
基板接触領域33bが約2000オングストロームのタブの深
さにまで延長され、注入領域37a及び38aの向き合った表
面間のチャネル領域36の長さが0.8μmではなく0.5μm
であることを除き、図2A−2Cに記載のものと同一であ
る。Referring now to FIGS. 10C-10D, a preferred doping profile and geometry for designing the 0.5 μm channel low leakage current Fermi-FET shown in FIG. 9B will be described.
One skilled in the art will know that both N-channel FETs and P-channel FETs are fabricated in a similar manner. All geometries and doping profiles are such that the source implant region 37, the drain implant region 38, and the substrate contact region 33b are extended to a tub depth of about 2000 Angstroms, and between the opposing surfaces of the implant regions 37a and 38a. Channel region 36 is 0.5 μm instead of 0.8 μm
2A-2C, except that
図10Cは図9Bの線10C−10C'に沿ってチャネル36を中心
にした垂直方向のドーピングプロファイルを示す。図示
の通り、基板濃度はほぼ1E18である。図10Dは図9Bの線1
0D−10D'に沿ったドーピングの側面像を示す。図示の通
り、ソース注入槽37はフェルミ槽の深さにまで延びてい
る。FIG. 10C shows the vertical doping profile centered on channel 36 along line 10C-10C 'of FIG. 9B. As shown, the substrate concentration is approximately 1E18. FIG.10D is line 1 of FIG.9B.
10 shows a side view of the doping along 0D-10D '. As shown, the source injection tank 37 extends to the depth of the Fermi tank.
底部漏洩電流制御領域の動作 次に、短チャネル・デバイス中の漏洩電流を低下させ
るための、図9Aの底部漏洩電流制御領域51及び図9Bの深
注入領域の動作理論を説明する。先ず始めに、底部漏洩
電流に用いる用語を定義するために、副しきい値の考え
方を説明する。次いで、注入タブの深さがどのように底
部漏洩電流に影響するかという議論が、ドレインに誘導
された注入及びドレイン電界しきい値の低下の議論と共
に展開される。Operation of Bottom Leakage Current Control Region Next, the operation theory of the bottom leakage current control region 51 of FIG. 9A and the deep injection region of FIG. 9B for reducing the leakage current in the short channel device will be described. First, the concept of the sub-threshold will be described in order to define the term used for the bottom leakage current. A discussion of how the depth of the implant tub affects bottom leakage current is then developed, along with a discussion of drain-induced implantation and a reduction in drain field threshold.
フェルミFETの副しきい値の挙動を記述する数式を解
くに当たり、若干の新しい定義が必要である。図11は基
本的な行動をグラフで示している。副しきい値電流の挙
動の4個の主要の特徴が存在する。図11では、これらの
行動領域に、A,B,C,及びDFTLとラベルを付す。点Aは
「副しきい値」しきい値Vsttを定義する。点Bは、正常
な伝導しきい値を定義する。点Cは、ドレイン電圧に影
響される「底部漏洩電流」を定義する。最後に、DFTLに
対する矢印は「ドレイン電界しきい値の低下」を規定す
る。副しきい値しきい値は、注入ゲート電界が0のとき
に起きる。Solving the equations describing the behavior of the sub-threshold of a Fermi-FET requires some new definitions. FIG. 11 shows the basic behavior graphically. There are four main features of the sub-threshold current behavior. In FIG. 11, these action areas are labeled A, B, C, and DFTL . Point A defines a “sub-threshold” threshold V stt . Point B defines the normal conduction threshold. Point C defines the "bottom leakage current" that is affected by the drain voltage. Finally, the arrow on the DFTL defines "Drain field threshold reduction". The sub-threshold threshold occurs when the injection gate field is zero.
再び図9A及び図9Bを参照すると、底部漏洩電流がドレ
イン電圧に依存することは、チャネル36に向かい合った
ソース注入拡散37a上に終端するドレイン電界成分の結
果である。このソースに終端するドレイン電界はチャネ
ル36にキャリヤ注入を生じさせる。この副しきい値効果
が「ドレインに誘導された注入」DIIと呼ばれる。Referring again to FIGS. 9A and 9B, the dependence of the bottom leakage current on the drain voltage is a result of the drain field component terminating on the source injection diffusion 37a facing the channel. This drain field terminating at the source causes carrier injection into channel 36. This sub-threshold effect is called "drain-induced implantation" DII.
DIIは多数キャリヤ・フェルミFET及び埋め込みチャネ
ル電界効果デバイスの特徴的な性質である。しきい値よ
り下では、多数キャリヤ・チャネル36及びフェルミタブ
22は、ドレイン電界がチャネル領域を横断して延びるこ
とを抑止する電荷サイトを含まない。その結果として、
ドレイン電界はチャネルに向かい合うソース空乏領域中
に終端することができ、注入を生じさせることができ
る。DII is a characteristic property of many-carrier Fermi-FET and buried-channel field-effect devices. Below the threshold, the majority carrier channel 36 and the Fermitab
22 does not include charge sites that inhibit the drain field from extending across the channel region. As a result,
The drain field can be terminated in the source depletion region facing the channel and can cause implantation.
それと対照的に、少数キャリヤMOSデバイスは、ソー
スとドレインとを仲立ちする基板領域を必要とする。従
ってドレイン電界はチャネルに向かい合うドレイン拡散
領域に隣接する基板領域をイオン化することにより終端
する。もし基板領域がソース及びドレイン拡散領域間で
完全に空乏化すれば、よく知られたパンチスルー現象が
生じて、急激に増大する高注入電流が生ずる。In contrast, minority carrier MOS devices require a substrate area that bridges the source and drain. Thus, the drain field is terminated by ionizing the substrate region adjacent to the drain diffusion region facing the channel. If the substrate region is completely depleted between the source and drain diffusion regions, a well-known punch-through phenomenon occurs, resulting in a rapidly increasing high injection current.
要約すれば、MOSデバイスの設計はパンチスルーの問
題としきい値の問題とにより混乱する。埋め込みチャネ
ル・デバイスはパンチスルーとDIIとの双方により混乱
する。フェルミFETはDIIの条件によってのみ混乱する
が、それは底部漏洩電流制御領域により、又は注入領域
37及び38の深さの増加により、相当に減少させることが
できる。フェルミFETをMOSデバイス及び埋め込みチャネ
ル・デバイスと対比するとき、フェルミFETのかなり大
きい電流及び速度の利点は前者にあってはDIIの制御に
要する設計上の制約より遥かに重要であり、後者におけ
るパンチスルーとしきい値を消去するための制約はそれ
とは正反対なのである。両方の問題ともにチャネル長が
短くなるに従い益々重要になる。In summary, MOS device design is confused by punch-through and threshold issues. Embedded channel devices are confused by both punch-through and DII. Fermi FETs are only confused by the DII condition, which is due to the bottom leakage current control region or the injection region.
By increasing the depth of 37 and 38, it can be reduced considerably. When comparing Fermi-FETs with MOS and buried-channel devices, the significantly higher current and speed advantages of Fermi-FETs are much more important in the former than the design constraints required for DII control, and in the latter the punch The constraint for eliminating thru and threshold is the opposite. Both problems become increasingly important as the channel length decreases.
次の分析は、多数キャリヤ・フェルミFETデバイス中
の逸れ易い(diverting)ドレイン電界の輪郭線に対す
る注入の深さYdのインパクトを説明するものである。図
9Aの底部漏洩電流制御領域51及び図9Bの深注入タブは事
実上DIIを消去したのと同然である。The following analysis is intended to explain the impact of depth Y d of the injection into the contours of its easy (diverting) the drain electric field in majority carrier Fermi FET device. Figure
The bottom leakage current control region 51 of 9A and the deep implant tub of FIG. 9B are virtually equivalent to eliminating DII.
図12Aは、フェルミタブ22及び注入領域37,38を含み且
つ側壁スペーサー41を含まない低キャパシタンス・フェ
ルミFETで、ドレインに誘導された注入が問題点になっ
たときに生じる電界輪郭線を示す。特に注入タブの底の
隅の領域は、其処に密集する電界による過剰なDIIに寄
与する。図12Bは、基板空乏領域21の底縁をソース及び
ドレインタブ37,38の底部に接近するように移動させる
ことにより、この効果を最小にする適切に補正した方策
を示す。図9Aの底部漏洩電流制御領域51もやはりこの結
果を達成する。FIG. 12A shows the electric field contour that results when drain-induced implantation becomes a problem for a low capacitance Fermi FET that includes Fermi-tub 22 and implanted regions 37, 38 and does not include sidewall spacers 41. In particular, the region at the bottom corner of the injection tub contributes to excess DII due to the electric field condensed there. FIG. 12B shows a properly compensated strategy to minimize this effect by moving the bottom edge of substrate depletion region 21 closer to the bottom of source and drain tabs 37,38. 9A also achieves this result.
チャネル36に向き合ったドレイン注入領域38には、ポ
リゲート面28上に終端するドレイン電界の輪郭積分が基
板領域21に終端するドレイン電界の輪郭積分に等しくな
る或る深さYLが存在する。その点において、ドレイン電
界はチャネル領域に向き合うソース23で終端することが
できる。ソース注入領域38上で終端することのできる電
界のライン数を最小にする注入タブの深さがある。この
要件は、αが1より小さいことを示唆する。典型的に
は、α<Lo/2である。フェルミFETデバイスを設計する
ときには、以下に求められる数式(31)を考慮しなけれ
ばならない。予想される深さYLは注入領域の深さを超え
てはならない。さもなければ、副しきい値体制下の拡散
の底及び隅から、かなりの底部漏洩電流が流出するであ
ろう。以下に求められる数式(32)は最小底部電流を与
える。A drain implanted region 38 facing the channel 36, the contour integral of the drain field terminating on poly gate surface 28 is present equal certain depth Y L to the contour integral of the drain field terminating in the substrate region 21. At that point, the drain field can be terminated at the source 23 facing the channel region. There is an implant tab depth that minimizes the number of lines of the electric field that can be terminated on the source implant region 38. This requirement implies that α is less than one. Typically, α <Lo / 2. When designing a Fermi-FET device, the following equation (31) must be considered. The depth is predicted Y L should not exceed the depth of the implanted region. Otherwise, significant bottom leakage current will flow out of the bottom and corners of the diffusion under the sub-threshold regime. Equation (32), determined below, gives the minimum bottom current.
数式(32)はまた、米国特許第4,990,974号及び第4,9
84,043号に規定される最初のフェルミFETに対する基本
設計判定規準をも予想させる。特に、 Ytub=YO且つYO=YP であるときには α=1及びYL=YO となる。換言すれば、その場合に、拡散の深さYdはフェ
ルミ・チャネルの深さYOに等しくなければならない。YP
は基板領域の空乏深さである。Equation (32) is also described in U.S. Patent Nos. 4,990,974 and 4,9,974.
It also predicts the basic design criteria for the first Fermi-FET specified in 84,043. In particular, when Y tub = Y O and Y O = Y P , α = 1 and Y L = Y O. In other words, the diffusion depth Y d must then be equal to the Fermi channel depth Y O. Y P
Is the depletion depth of the substrate region.
次に数式(32)が導かれる。ポリシリコン・ゲート電
極28上に終端する電界ラインの実効半径をR1とし、基板
領域21に終端する電界ラインの実効半径をR2とし、これ
らの電界ラインに沿ったドレイン電界をEdとする。拡散
領域間の電界は、拡散領域下の基板領域中に終端する電
界に比較して、副しきい値領域では殆ど一様である。Next, equation (32) is derived. The effective radius of the electric field lines terminating on the polysilicon gate electrode 28 as R 1, the effective radius of the electric field lines terminating in the substrate region 21 and R 2, the drain electric field along these field lines between E d . The electric field between the diffusion regions is almost uniform in the sub-threshold region as compared to the electric field terminating in the substrate region below the diffusion region.
(π/2)R1Esd+TOXEsd(es/ei)=Vd+Vpj (26) (π/2)R2Esd=Vd+Vw (27) R2=Ytub+YP−YL (28) R1=YL (29) 数式(26)ないし(29)を用いて、 Vw=ウェル電位(KT/q)loge(N^/Ns);及び Vpj=ポリシリコン・ゲート電極接合電位(KT/q)loge(N^/Npoly) とするとき、つぎの数式: が得られる。もしVw=Vpjとすれば: という関係が得られる。数式(31)は、電界強度Edとは
独立である。基板の空乏の深さYpは、設計によって小さ
くして置かなければならない。(Π / 2) R 1 E sd + T OX E sd (e s / e i ) = V d + V pj (26) (π / 2) R 2 E sd = V d + V w (27) R 2 = Y tub + Y P -Y L (28) using to R 1 = Y L (29) equation (26) to the (29), V w = well potential (KT / q) log e ( N ^ / Ns); and V pj = Polysilicon gate electrode junction potential (KT / q) log e (N ^ / N poly ) where Is obtained. If V w = V pj : Is obtained. Equation (31) is independent of the electric field strength E d. The depth Y p of the depletion of the substrate, must be placed in small by design.
パンチスルー現象は、短チャネルMOSデバイス及び埋
め込みチャネル・デバイスにとって厳しい問題がある。
その影響を最小にするためには、高基板ドーピングが必
要である。すべてのFET構造において、2番目のドレイ
ンの誘導する現象が生じ、これが「ドレイン電界しきい
値低下」DFTLと呼ばれるものである。簡単に説明すれ
ば、DFTLとは、チャネルのソース端の近くに展開される
絶縁層電位の結果であり、それはゲート電圧がドレイン
電圧より低いときに、ゲートで終端するドレイン電圧に
より生成される電界のもたらす結果である。このドレイ
ンの誘導する絶縁層電位は常に、しきい値を減少させる
方向にある。パンチスルーは、低キャパシタンス・フェ
ルミFETにより消去されるが、DFTLは依然として残る。D
FTLに起因するしきい値電圧の変化ΔVtを表す数式を次
に示すが、これはドレイン電圧がゲート電圧より高いと
きにのみ適用されるもので、ここでLoをチャネル長と
し、Xdを拡散の深さとすれば: が得られる。The punch-through phenomenon is a severe problem for short channel MOS devices and buried channel devices.
High substrate doping is required to minimize its effects. In all FET structures, a second drain-induced phenomenon occurs, called the "drain field threshold reduction" DFTL. Briefly, DFTL is the result of an insulating layer potential developed near the source end of a channel, which is the electric field created by the drain voltage terminating at the gate when the gate voltage is lower than the drain voltage. Is the result of The drain-induced insulation layer potential is always in the direction of decreasing the threshold. Punch through is eliminated by the low capacitance Fermi FET, but the DFTL still remains. D
The following formula shows the change in threshold voltage ΔVt due to FTL, which applies only when the drain voltage is higher than the gate voltage, where Lo is the channel length and Xd is the diffusion The depth of: Is obtained.
ドレイン電圧がゲート電圧を上回る量によってDFTLの
効果が増大し、ゲート電圧が低ければチャネル長が短く
なるに従ってそれは更に顕著になる。この効果は、ゲー
ト絶縁の厚さを薄くすればそれに見合って減少する。The effect of the DFTL increases with the amount by which the drain voltage exceeds the gate voltage, and becomes more pronounced with lower gate voltages as the channel length decreases. This effect is correspondingly reduced by reducing the thickness of the gate insulation.
実験的にDFTLの効果を測定する方法はデバイスの副し
きい値の行動をプロットすることである。図6A及び図6B
を参照。DFTLによってドレイン電圧Vdの増加に伴う上昇
カーブの左電圧転移、すなわちLog10Ichが説明される。An experimental way to measure the effect of DFTL is to plot the subthreshold behavior of the device. 6A and 6B
See DFTL drain voltage V d increases accompanying rising curve of the left voltage transition by, i.e. Log 10 I ch is described.
高飽和電流フェルミ−FET 次に図13を参照して、本発明による高飽和電流フェル
ミFETを説明する。高飽和電流フェルミFET200は、ソー
スタブ領域37及びドレインタブ領域38が存在しないこと
を除き、図1のフェルミFET20と同じである。しかし当
業者はよく知っている通り、これらの領域は前に述べた
ように使用されるものなのである。また、ゲート電極層
28が第1導電型、すなわちここではP型の第1層28b及
び第2導電型すなわちここではN型の第1層28cを含む
ことは、発明者がVinal及びDennenで、権利者が本発明
の出願人である“Field Effect Transistor Having Pol
ycrystalline Silicon Gate Junction"と題する(米
国)特許出願第08/087,509号に記載の通りであって、該
開示をここに参照文献として引用して置く。しかし当業
者はよく知っている通り、ソース及びドレインタブ領域
37及び38と単一層ゲート28とのいずれか一方又は双方が
やはり使用されてもよい。Next, a high saturation current Fermi-FET according to the present invention will be described with reference to FIG. The high saturation current Fermi-FET 200 is the same as the Fermi-FET 20 of FIG. 1 except that the source tub region 37 and the drain tub region 38 are not present. However, as those skilled in the art are well aware, these areas are to be used as described above. Also, the gate electrode layer
28 comprises a first layer 28b of the first conductivity type, here P-type, and a second layer 28c of the second conductivity type, here N-type. “Field Effect Transistor Having Pol”
No. 08 / 087,509, entitled "Ycrystalline Silicon Gate Junction", the disclosure of which is incorporated herein by reference. Drain tub area
Either or both 37 and 38 and single layer gate 28 may also be used.
本発明によれば、チャネル36に隣接するソース領域23
の第2導電型ドーピング(ここではN++)は、電界効
果トランジスタの飽和電流を最大化するのに十分な高さ
の最小に維持される。チャネル36に向き合うソース領域
23及びドレイン領域24のドーピングはこの最小ドーピン
グに維持されるのが好適であり、全ソース及びドレイン
領域23及び24のドーピングはそれぞれこの最小ドーピン
グに維持されるのが最も公的である。云うまでも無く、
更に大きいドーピング・レベルが使用されてもよいが、
トランジスタの飽和電流を高めるためにそれが為すとこ
ろは少ないであろう。According to the present invention, the source region 23 adjacent to the channel 36
Of the second conductivity type (here, N ++) is kept at a minimum high enough to maximize the saturation current of the field effect transistor. Source area facing channel 36
The doping of 23 and drain region 24 is preferably maintained at this minimum doping, and the doping of all source and drain regions 23 and 24, respectively, is most publicly maintained at this minimum doping. Needless to say,
Higher doping levels may be used,
It will do little to increase the saturation current of the transistor.
チャネル領域36における濃度は、タブ領域22の濃度よ
り大きい場合も小さい場合もあり、ソース領域23及びド
レイン領域24の濃度より小さい。チャネル領域36の端
は、ソース及びドレイン領域23及び24に、又はもし存在
するならソース及びドレインタブに、接するのが好適で
ある。ソース及びドレイン領域はチャネル36と少なくと
も同じ深さであり、好適にはタブ22の深さより少ない。The concentration in the channel region 36 may be higher or lower than the concentration in the tub region 22, and is lower than the concentration in the source region 23 and the drain region 24. The edges of the channel region 36 preferably abut the source and drain regions 23 and 24 or, if present, the source and drain tubs. The source and drain regions are at least as deep as the channel 36, and preferably less than the depth of the tub 22.
基板領域21は、ゲート絶縁層26に隣接するドープされ
た多結晶シリコンゲート28bと同じ導電型である。基板2
1のドーピング濃度はタブ22のドーピング濃度より高く
なっており、好適にはその高さは4倍である。Substrate region 21 is of the same conductivity type as doped polysilicon gate 28b adjacent to gate insulating layer 26. Substrate 2
The doping concentration of 1 is higher than the doping concentration of the tub 22, and is preferably four times as high.
次に、フェルミFETトランジスタのドレイン飽和電流
は、チャネル36に隣接するソース23及びドレイン24の拡
散ドーピング濃度により制御されることが示される。最
高ドレイン飽和電流は、垂直電界がチャネル36を横切る
ことを許さないときに、所与のドーピング濃度に対して
達成される。従って拡散濃度は、所与のチャネル長に対
して、それを超えればドレイン飽和電流が増加を停止す
る最小値を持つ。Next, it is shown that the drain saturation current of the Fermi-FET transistor is controlled by the diffusion doping concentration of the source 23 and the drain 24 adjacent to the channel 36. The highest drain saturation current is achieved for a given doping concentration when the vertical field does not allow to cross the channel 36. Thus, for a given channel length, the diffusion concentration has a minimum value above which the drain saturation current stops increasing.
従って、高駆動電流を達成するために極めて短いチャ
ネルタブFETを製作する必要はない。例えば、もし最大
駆動電流に対しチャネル長が0.8ミクロンのタブFETが最
適とされていれば、更に短いチャネルのデバイスの製作
は駆動電流を増加させることに殆ど役立たない。Nチャ
ネル及びPチャネルのデバイスに対してそれぞれ1セン
チメートル当たり16アンペア及び9アンペアのドレイン
飽和電流が、電源電圧として0ないし5ボルトを用いる
タブFETデバイスの設計から達成される。これらの電流
レベルを達成するためには、厚さが100オングストロー
ムの窒化珪素又は厚さが50オングストロームの二酸化珪
素、或いはこれと同等のゲート・キャパシタンス効果を
持つその他のゲート絶縁素材によるゲート絶縁層26が必
要である。Thus, there is no need to fabricate extremely short channel tab FETs to achieve high drive currents. For example, if a tab FET with a channel length of 0.8 microns is optimized for maximum drive current, fabricating shorter channel devices will be of little help in increasing drive current. Drain saturation currents of 16 amps per centimeter and 9 amps per centimeter for N-channel and P-channel devices, respectively, are achieved from tab FET device designs using 0 to 5 volts as the supply voltage. To achieve these current levels, a gate insulating layer 26 of 100 Å thick silicon nitride or 50 Å thick silicon dioxide or other gate insulating material with equivalent gate capacitance effect is required. is necessary.
T−FETのゲート・キャパシタンスは、単位ゲート電
圧(Vg−Vt)当たりの可動チャネル電荷Qchに依存す
る。従ってゲート・キャパシタンスは累積効率に比例す
る。本発明によれば、もしチャネルに向き合ったソース
拡散注入領域とドレイン拡散注入領域とのいずれか一方
又は双方中に過剰電荷を蓄えることができるならば、高
い累積効率が生起することは実験的に確かめられてい
る。従って、φXをソース/ドレイン拡散とチャネルと
の間の平坦帯域電位とし、室温において KT/q=26mV とし、Ndoをチャネル36に向き合ったソース・ドレイン
濃度とし並びに好適にはドレイン・ドーピング濃度とも
し、Nchをチャネル36のドーピング濃度とするとき: となる。これをグラフに表したのが図14である。Gate capacitance of the T-FET depends on the movable channel charge Q ch per unit gate voltage (Vg-Vt). Thus, gate capacitance is proportional to cumulative efficiency. According to the present invention, it is experimentally possible that high cumulative efficiency will occur if excess charge can be stored in either or both of the source and drain diffusion injection regions facing the channel. Has been verified. Thus, φ X is the flat band potential between the source / drain diffusion and the channel, KT / q = 26 mV at room temperature, N do is the source-drain concentration facing the channel 36 and preferably the drain doping concentration. lighted, when the doping concentration of the N ch channel 36: Becomes FIG. 14 shows this in a graph.
拡散空乏領域の最小の深さXdは、次のように近似され
る。貯積された自由電荷はその値が一定であり、その符
号はチャネルに向き合った拡散空乏領域中の全電荷と反
対であり、eSを基板の誘電率とし、qを1.6×10-19クー
ロンとするとき: となる。The minimum depth Xd of the diffusion depletion region is approximated as follows.貯積been free charges is its value is constant, its sign is opposite to the overall charge in the diffusion depletion region facing the channel, the e S is the dielectric constant of the substrate, q and 1.6 × 10 -19 coulombs When: Becomes
図15は、チャネル領域に貯積される自由な貯積領域内
で利用可能な過剰キャリヤと同等の量を示す。図15で
は、Yfはチャネル36の深さでり、Zはチャネル36の幅で
ある。以下の議論では自由電荷を無視する。自由電荷の
成分についてはその後で論じる。FIG. 15 shows an equivalent amount of excess carrier available in the free storage area stored in the channel area. In Figure 15, the Y f depth deli channel 36, Z is the width of the channel 36. The following discussion ignores free charge. The components of the free charge will be discussed later.
自由貯積電荷Qrの最大貯積量は: Qr=qNdoXdYfZ (35) である。φXを数式(33)で与えられたものとすると
き、Xdに対して数式(34)を置き換えれば: Qr=YfZ(2eSφXqNdo)1/2 (36) となる。Maximum貯積amount of free貯積charge Q r is: Q r = qN do X d Y f Z (35). If φ X is given by equation (33), then replace equation (34) with X d : Q r = Y f Z (2e S φ X qN do ) 1/2 (36) Become.
数式(36)は注入用に利用可能な過剰電荷を定義す
る。最大ゲート電圧Vgmaxがしきい値を超えるように印
加されるとき、この全利用可能電荷はチャネルを満たす
ことができるものでなければならない。自由電荷はチャ
ネルに流入するので、キャリヤはN++/Nch接合を横切
って拡散し、それらを置き換える。1拡散当たりで満た
される実効チャネル体積Vchは: Vch=(ZδLO)/2 (37) である。従って、Nchex=チャネル過剰キャリヤ濃度; δ=過剰キャリヤの流入深度; LO=チャネル長; Z=チャネル幅 とするとき、チャネルに転移される電荷は: Qch=(q/2)NchexZδLO (38) となる。Equation (36) defines the excess charge available for injection. When the maximum gate voltage V gmax is applied above the threshold, this total available charge must be able to fill the channel. Since the free charge flows into the channel, the carrier diffuses across the N ++ / N ch bonding, replace them. The effective channel volume V ch filled per diffusion is: V ch = (ZδL O ) / 2 (37) Therefore, when N chex = channel excess carrier concentration; δ = excess carrier inflow depth; L O = channel length; Z = channel width, the charge transferred to the channel is: Q ch = (q / 2) N chex ZδL O (38)
チャネル電荷がゲート・キャパシタンス及びゲート駆
動電圧(Vg−Vt)とも関係することは証明できる。次の
等式が成り立つ: Cg *ZLO(Vg−Vt)=qNchexδZLO (39) 従って、Qch *を単位体積当たりの電荷とするとき: qNchexδ=Cg *(Vg−Vt)=Qch * (40) となる。It can be proven that the channel charge is also related to the gate capacitance and the gate drive voltage (Vg-Vt). The following equation holds: C g * ZL O (V g −V t ) = qN chex δZL O (39) Therefore, when Q ch * is the charge per unit volume: qN chex δ = C g * ( V g −V t ) = Q ch * (40).
チャネル飽和電流Isatに対する基本式は、VLを横方向
速度とするとき: Isat=Cg *(Vg−Vt)ZVL (41) と書くことができる。The basic equation for the channel saturation current I sat can be written as follows: where V L is the lateral velocity: I sat = C g * (V g −V t ) ZV L (41)
次に、横方向速度VLを制御する条件を議論する。数式
(40)を数式(38)に代入すれば、ソース拡散による貯
積チャネル電荷を定義する重要な数式: Qch=(Cg */2)ZLO(Vg−Vt) (42) が得られる。数式(36)を数式(42)の利用可能なチャ
ネル電荷に代入すれば: YfZ(2eSφXqNdo)1/2=(Cg */2)ZLO(Vg-Vt) (43) となる。数式(43)は実際のゲート・キャパシタンスCg
*について拡散不純物濃度Ndo及びチャネル領域Yfで表
すよう解くことができ、ここで Yf =ソース及びドレイン拡散に隣接するフェルミ
・チャネルの深さ Ndo =基板−絶縁界面21aからフェルミ・チャネルの
底までの深さにおける平均拡散不純物濃度 LO =チャネル長 eS =基板の誘電率 φX =数式(33)で与えられるもの Vgmax=予想される最大ゲート電圧 Vt =しきい値電圧 とすれば: が得られる。Next, conditions for controlling the lateral speed VL will be discussed. Substituting equation (40) into equation (38) yields an important equation defining the accumulated channel charge due to source diffusion: Q ch = (C g * / 2) ZL O (V g −V t ) (42) Is obtained. Substituting equation (36) to an available channel charge of formula (42): Y f Z ( 2e S φ X qN do) 1/2 = (C g * / 2) ZL O (V g -V t ) (43) Equation (43) is the actual gate capacitance C g
* Can be solved to be expressed by the diffusion impurity concentration N do and the channel region Y f , where Y f = the depth of the Fermi channel adjacent to the source and drain diffusions N do = the Fermi channel from the substrate-insulating interface 21a Average diffused impurity concentration at the depth to the bottom of the substrate L O = channel length e S = dielectric constant of the substrate φ X = given by equation (33) V gmax = expected maximum gate voltage V t = threshold voltage given that: Is obtained.
ゲート・キャパシタンスは独立の解析により定められ
る最大値を持ち、それは次の数式: で与えられる。数式(44)と数式(45)の比を求めれ
ば、ゲート・キャパシタンス因数として次の数式 が得られる。The gate capacitance has a maximum value determined by an independent analysis, which is: Given by If the ratio of Equation (44) and Equation (45) is obtained, the following equation can be obtained as a gate capacitance factor. Is obtained.
数式(41)によれば、ゲート・キャパシタンス因数Gf
=1.0のときに、所与の横方向速度に対し最大飽和電流
が生起する。According to equation (41), the gate capacitance factor G f
When = 1.0, the maximum saturation current occurs for a given lateral velocity.
図16A及び図16Bは数式(46)を、種々のチャネル長LO
に対するソース/ドレイン拡散濃度Ndoの関数としてグ
ラフで示すもので、所与の値としては Yf =600オングストローム Vgmax=5ボルト Vt =0.8ボルト δ(流入深度)=120オングストローム とされており、また、図16Aでは TOX=100オングストローム とされ、図16Bでは TOX=140オングストローム とされている、図16A及び図16Bが示しているのは、最大
飽和電流が達成されるのに必要な限界濃度Ndoが存在
し、その値は種々のチャネル長LOに対して異なる、と云
うものである。この最大値はゲート・キャパシタンス因
数Gf=1.0のときに生じる。この最大値は主としてチャ
ネル長LOに、及び絶縁の厚さTOXに依存する。この限界
値は、次の数式: で定義される。フェルミタブFETを設計する時には、数
式(47)を可能な最長のチャネルLOに適用するべきであ
る。これらの環境下で、短いチャネル長のタブFETは同
じゲート電圧に対しては本来同じドレイン飽和電流を持
つであろう。短チャネル・デバイスを作ることにより駆
動電流に関しては極めて僅かしか得るところがない。チ
ャネル長が0.8ミクロン又はそれ以下で設計されたフェ
ルミタブFETは、MOSデバイス又はMOS埋め込みチャネル
・デバイスのいかなるチャネル長での設計に較べても、
所与のゲート電圧に対して遥かに高い駆動電流を持つ。FIGS. 16A and 16B illustrate equation (46) for various channel lengths L O.
As a function of the source / drain diffusion concentration N do with respect to, and given values are Y f = 600 Å V gmax = 5 volt V t = 0.8 volt δ (inflow depth) = 120 Å Also, FIG. 16A shows that T OX = 100 Å and FIG. 16B shows that T OX = 140 Å, and FIGS. 16A and 16B show that it is necessary to achieve the maximum saturation current. It is said that there is a limit concentration N do , the value of which is different for different channel lengths L O. This maximum occurs when the gate capacitance factor G f = 1.0. This maximum depends mainly on the channel length L O and on the insulation thickness T OX . This limit is calculated by the following formula: Is defined by When designing Fermitab FETs, Equation (47) should be applied to the longest possible channel L O. Under these circumstances, a short channel length tub FET will inherently have the same drain saturation current for the same gate voltage. There is very little gain in terms of drive current by making short channel devices. Fermi-tub FETs designed with channel lengths of 0.8 microns or less are more efficient than designs with MOS or MOS buried channel devices at any channel length.
Has a much higher drive current for a given gate voltage.
次に図27を参照して本発明による高飽和電流フェルミ
FETの2番目の実施例を説明する。図27の高飽和電流フ
ェルミFET300は、ソース・ドーピング傾斜領域50aをソ
ース領域23とチャネル36との間に、また好適にはドレイ
ン・ドーピング傾斜領域50bをドレイン領域24とチャネ
ル36との間に、それぞれ付加したことを除けば、図13の
高飽和電流フェルミFET200と同様である。ソース・ドー
ピング傾斜領域50a及び好適にはドレイン・ドーピング
傾斜領域50bは、ソース及びドレイン領域に隣接する相
対的に高いソース/ドレイン・ドーピング濃度からチャ
ネル36に隣接する相対的に低いチャネル36のドーピング
濃度へと減少するドーピング傾斜でドープされる。Next, referring to FIG. 27, the high saturation current Fermi according to the present invention will be described.
A second embodiment of the FET will be described. The high saturation current Fermi FET 300 of FIG. 27 includes a source doping gradient region 50a between the source region 23 and the channel 36, and preferably a drain doping gradient region 50b between the drain region 24 and the channel 36. Except for the respective additions, they are the same as the high saturation current Fermi-FET 200 of FIG. The source doping ramp region 50a and preferably the drain doping ramp region 50b may have a relatively high source / drain doping concentration adjacent to the source and drain regions to a relatively low channel 36 doping concentration adjacent to the channel 36. Doped with a doping gradient that decreases to
本発明によれば、ソース・ドーピング傾斜領域50a及
びドレイン・ドーピング傾斜領域50bは、タブFET300内
での高飽和電流を支持するために少なくとも300オング
ストロームの厚さSをもつのを好適とすることが既に判
っている。。また、図27に示すように、ゲート絶縁領域
26及びゲート電極28は、ソース及びドレイン・ドーピン
グ傾斜領域50a及び50bとオーバラップしていることも好
適とする。これもまた図27に示すように、ソース・ドー
ピング傾斜領域50aとドレイン・ドーピング傾斜領域50b
とはそれぞれ、ソース23及びドレイン24を取り囲んでい
ることを好適とする。According to the present invention, the source doping gradient region 50a and the drain doping gradient region 50b preferably have a thickness S of at least 300 angstroms to support a high saturation current in the tub FET 300. I already know. . In addition, as shown in FIG.
It is also preferred that 26 and gate electrode 28 overlap source and drain doping gradient regions 50a and 50b. Again, as shown in FIG. 27, the source doping gradient region 50a and the drain doping gradient region 50b
Preferably surrounds the source 23 and the drain 24, respectively.
ソース及びドレイン・ドーピング傾斜領域50a及び50b
の厚さがそれぞれ300オングストロームを超えていると
きに高飽和電流が与えられるのは何故かという理論的な
理由を以下に説明する。また、ソース及びドレイン傾斜
領域と共に用いられたときに、最小ソース及びドレイン
・ドーピング・レベルが、ソース及びドレインがフェル
ミ・チャネルより深い場合、すなわちXiがYfより大きい
場合にフェルミ・チャネルの深さYfの代わりにソース及
びドレインの深さXjに置き換えた既述の数式(47)の与
えるものになる、ということも証明されよう。Source and drain doping gradient regions 50a and 50b
The following explains the theoretical reason why the high saturation current is given when the thickness of each of the layers exceeds 300 angstroms. Further, when used in conjunction with the source and drain inclined region, the minimum source and drain doping levels, if the source and drain is deeper than the Fermi channel, i.e. X i is the Fermi channel is greater than Y f depth becomes what gives the above formula is replaced with the depth X j of the source and drain instead of the Y f (47), it will also be proved that.
ソース拡散23及びドレイン拡散24との間にそれぞれあ
るフェルミタブチャネル領域に向かい合った拡散傾斜に
蓄積された自由電荷への正常なアクセスのあるときに高
累積効率が生じることな既に示されている。しきい値で
は、フェルミタブ領域22は、底からゲート絶縁に面した
基板の表面21aまで完全に空乏化されているであろう、
それはフェルミタブ22と基板21との間のP−N接合の結
果である。このやり方でフェルミタブを空乏化すること
は、多数キャリヤの伝導中に表面チャネル領域36と交差
する接合電界を除去することになる。It has already been shown that high accumulation efficiency occurs when there is normal access to the free charge stored in the diffusion ramp opposite the Fermi-tub channel region between the source diffusion 23 and the drain diffusion 24, respectively. At the threshold, the Fermitab region 22 will be completely depleted from the bottom to the surface 21a of the substrate facing the gate insulation,
It is the result of a PN junction between Fermitab 22 and substrate 21. Depleting the Fermitab in this manner will eliminate the junction field that intersects the surface channel region 36 during majority carrier conduction.
次に、空乏状態の拡散領域の縁における適正な電荷の
貯積を与えるのに要するソース/ドレイン拡散濃度Ndo
及び勾配の深さSを定める。しきい値より上の所定の最
大ゲート電圧では、適正な電荷の貯積は十分な多数キャ
リヤで長さLOのチャネル量の半分を満たして、次のよう
に定義される限界ゲート・キャパシタンス値Cg *を達成
する。すなわち: TOX=ゲート絶縁26の厚さ δ=キャリヤの流入深度 eS =基板21の誘電率 ei =絶縁層26の誘電率 とするとき Cg *=1/((TOX/ei)+(δ/2eS)) と定義されるのである。図27を参照すれば、ゲート電極
29がしきい値又はそれより下にあれば、基板−タブ接合
はフェルミタブ領域をゲート絶縁層26及びフェルミタブ
に向き合うドーピング傾斜領域50a,50bの周辺の一部ま
で完全に空乏化する。拡散不純物濃度Ndo及び傾斜の厚
さSは、全拡散傾斜の厚さSが空乏化中に消耗されるの
を抑止するのに十分なものでなければならない。以下に
述べる解析は、所与の最大ゲート電圧に対しフェルミFE
Tからの最大ドレイン飽和電流を達成するための拡散設
計に対する要求条件を定義する基本的な数式を展開す
る。Next, the source / drain diffusion concentration N do required to provide the proper charge accumulation at the edge of the depleted diffusion region.
And the depth S of the gradient. At a given maximum gate voltage above the threshold, the proper charge accumulation is sufficient to fill half of the channel amount of length L O with a large number of carriers, resulting in a critical gate capacitance value defined as Achieve C g * . That is: T OX = thickness of gate insulation 26 δ = inflow depth of carrier e S = dielectric constant of substrate 21 e i = dielectric constant of insulating layer 26 C g * = 1 / ((T OX / e i ) + (Δ / 2e S )). Referring to FIG. 27, the gate electrode
If 29 is below or below the threshold, the substrate-tub junction will completely deplete the Fermi-tub region to a portion of the periphery of the doping ramp regions 50a, 50b facing the gate insulating layer 26 and the Fermi-tub. The diffusion impurity concentration N do and the slope thickness S must be sufficient to prevent the total diffusion slope thickness S from being consumed during depletion. The analysis described below shows that for a given maximum gate voltage, the Fermi FE
A basic formula is developed that defines the requirements for the diffusion design to achieve the maximum drain saturation current from T.
図28は、高い濃度から低い濃度へと離散的なステップ
で濃度が減少する拡散の周辺を示す。この離散的なモデ
ルは拡散設計用の数式を求めるのに有益である。図28は
各ステップ接合で双極子(dipole)電荷形態が生起して
いることを示している。正境界電荷(bound positive c
harge)は拡散領域中の空乏化によるものであり、自由
負電荷(free negative charge)はステップ接合に弱く
結合されている。電荷の中和性は各ステップ接合で確認
される。ゲート28は、図28に示す通りドーピング傾斜領
域50a,50bにオーバラップしている。FIG. 28 shows the periphery of a diffusion where the density decreases in discrete steps from high to low density. This discrete model is useful for finding equations for diffusion design. FIG. 28 shows that a dipole charge morphology occurs at each step junction. Bound positive c
harge) is due to depletion in the diffusion region, and the free negative charge is weakly coupled to the step junction. Charge neutralization is confirmed at each step junction. The gate 28 overlaps the doping gradient regions 50a and 50b as shown in FIG.
タブ−基板接合の結果として、ドーピング傾斜距離S
への拡散浸透距離が図28ではXと定義されている。空乏
化が起きるとき、浸透距離Xは距離Sより小さくなけれ
ばならない。距離X内の全自由電荷は、其処での電荷の
中和性要件を満足させるのに必要な基板接合を横切るキ
ャリヤ拡散により、貯積不可である。ゲート電圧が閾値
を超える場合、自由電荷は区間S−Xにおいて表面チャ
ネル内に貯積することができる。As a result of the tub-substrate junction, the doping ramp distance S
28 is defined as X in FIG. When depletion occurs, the penetration distance X must be smaller than the distance S. The total free charge within the distance X cannot be stored due to carrier diffusion across the substrate junction required to meet the charge neutralization requirements there. If the gate voltage exceeds the threshold, free charge can accumulate in the surface channel in section SX.
分配された電荷の全非空乏化備蓄はタブと拡散の間の
階段接合(abrupt junction)から計算できる。それは
図29に示され、茲で Xj =ソース/ドレイン拡散23,24の深さ Yd =拡散中の空乏の深さ Z =チャネル幅 Ndo=最大ソース/ドレイン拡散23/24濃度 とするとき: Qtotal=qNdoXjZYd (48) である。Ndo−Ntubを横切って展開される全電位は: φj=(1/2)(2Yd)E(0)=(KT/q)loge(Ndo/Nch) (49) 但し茲でE(0)=qNdoYdo/eS (50) である。The total undepleted reserve of the distributed charge can be calculated from the abrupt junction between the tub and the diffusion. It is shown in FIG. 29, where X j = depth of source / drain diffusions 23,24 Y d = depth of depletion during diffusion Z = channel width N do = maximum source / drain diffusion 23/24 concentration When: Qtotal = qN do X j ZY d (48) The total potential developed across N do −N tub is: φ j = (1/2) (2Y d ) E (0) = (KT / q) log e (N do / N ch ) (49) Then, E (0) = qN do Y do / e S (50).
自由電荷は同じ深さYdを占めるものと仮定する。数式
(49)と数式(50)とを組み合わせれば: φj=(qNdo/eS)Ydo 2=(KT/q)loge(Ndo/Nch) (51) となる。Free charge is assumed to occupy the same depth Y d. Combining Equation (49) and Equation (50) gives: φ j = (qN do / e S ) Y do 2 = (KT / q) log e (N do / N ch ) (51)
これをYdoについて解けば: となる。従って、最大利用可能備蓄電荷QRは: となる。Solving this for Y do : Becomes Therefore, the maximum available stockpile charge Q R: Becomes
この全電荷はドーピング傾斜領域の厚さSに沿って分
配される。従って、自由電荷密度Nfc=YdoNdo/Sがドー
ピング傾斜領域の厚さSに沿って存在する。ドーピング
傾斜が図28の距離Xだけ空乏化されるとき、タブ−基板
P−N接合からのタブ内部の空乏化の結果として、フェ
ルミ・チャンネルの半分を満たすために残された利用可
能な自由電荷の貯積量Qrは ▲∫s o▼NFCdx=YdoNdo. とするとき: となる。ドーピング傾斜内部の自由電荷密度の定義に基
づいて、自由電荷Qrは: である。数式(52)を数式(55)に代入すれば、フェル
ミ・チャネルの半分を満たすために利用可能な自由電荷
の備蓄を求める基本数式が得られる。茲で留意すべき
は、ドレイン電圧及びソース電圧が共に0のときは、ゲ
ート電圧がしきい値より上にあれば、深さXjの各ドーピ
ング傾斜領域中の自由電荷がチャネル量の半分を満た
す、ということである。転移時間を考慮すれば、チャネ
ル量を満たすのに拡散の底における自由電荷に依存する
ことは許されない。This total charge is distributed along the thickness S of the doping gradient region. Therefore, a free charge density N fc = Y do N do / S exists along the thickness S of the doping gradient region. When the doping ramp is depleted by the distance X in FIG. 28, the available free charge left to fill half of the Fermi channel as a result of depletion inside the tub from the tub-substrate PN junction . is of貯積amount Q r ▲ ∫ s o ▼ N FC dx = Y do N do that when: Becomes Based on the definition of the free charge density inside the doping gradient, the free charge Q r is: It is. Substituting equation (52) into equation (55) yields a basic equation that determines the reserve of free charge available to fill half of the Fermi channel. It should be noted that when the drain voltage and the source voltage are both 0, the free charge in each doping gradient region at the depth Xj becomes half of the channel amount if the gate voltage is above the threshold. It is to satisfy. Given the transition time, one cannot tolerate relying on the free charge at the bottom of the diffusion to fill the channel volume.
自由電荷の貯積量Qrを、最大値における所与の(Vg−
Vt)に対してチャネルL0/2の半分を満たすために必要な
量に等しくすると: が得られる。1平方センチメートル当たりのゲート・キ
ャパシタンスCg *について数式(57)を解くと、ゲート
・キャパシタンスを定義する基本数式: が得られる。次に、タブ−基板P−N接合による空乏化
の結果としてドーピング傾斜領域の厚さSへの浸透距離
Xを定める。空乏化の過程を通して電荷は: を維持しなければならない。これを解析する目的のため
に、ドーピング傾斜領域はXに関して線形(linear)で
あると仮定する、すなわち: Nd(X)=((Ndo−Ntub)/S)X+Ntub (60) 及び φj=(KT/q)loge((NdoNa)/Ni 2) (61) と仮定する。数式(60)を数式(59)に代入すれば: が得られる。これを解けばxの二次式が得られる: この数式(63)の解は: である。従って数式(64)はドーピング傾斜領域への空
乏の浸透の深さXを解として与える。Xは数式(58)中
の一因数であることに留意されたい。数式(64)は数式
(58)と組み合わせて用いて、ゲート・キャパシタンス
Cg *を定め、それ故に予想される最大ゲート電圧Vgmax
に対するドレイン飽和電流を定義する。数式(58)がゲ
ート・キャパシタンスの最大値Cgmax *に到達するとき
に、所与のチャネル長LOに対する正常のソース・ドレイ
ン設計が実現する。 The貯積amount Q r of free charges, given at the maximum value (Vg-
When equal to the amount required to fill half of the channel L 0/2 relative vt): Is obtained. Solving Equation (57) for the gate capacitance C g * per square centimeter gives the basic equation that defines the gate capacitance: Is obtained. Next, a penetration distance X to the thickness S of the doping gradient region is determined as a result of depletion by the tub-substrate PN junction. Through the depletion process the charge is: Must be maintained. For the purpose of analyzing this, it is assumed that the doping gradient region is linear with respect to X, ie: N d (X) = ((N do −N tub ) / S) X + N tub (60) and phi j = assumed (KT / q) log e ( (N do N a) / N i 2) (61). Substituting equation (60) into equation (59): Is obtained. Solving this gives a quadratic equation for x: The solution to this equation (63) is: It is. Therefore, equation (64) gives the solution depth X of the penetration of depletion into the doping gradient region. Note that X is a factor in equation (58). Equation (64) is used in combination with Equation (58) to calculate the gate capacitance
Determine C g * and therefore the expected maximum gate voltage V gmax
Define the drain saturation current for When Equation (58) reaches the maximum gate capacitance C gmax * , a successful source-drain design for a given channel length L O is realized.
この解析から、もししきい値電圧Vtより上の所与のゲ
ート電圧Vgに対し不適切なチャネル電荷が利用可能なら
ば、ゲート・キャパシタンスCg *及びドレイン飽和電流
Isatは極めて低いことが判るだろう。これは Qch *=Cg *(Vg−Vt) 及び Isat=Cg *(Vg−Vt)VLZ であるから導かれるのである。From this analysis, it can be seen that if an inappropriate channel charge is available for a given gate voltage V g above the threshold voltage V t , the gate capacitance C g * and the drain saturation current
You can see that I sat is extremely low. This is the guided from a Q ch * = C g * ( V g -V t) and I sat = C g * (V g -V t) V L Z.
図30は、0.8ミクロンNチャネル・フェルミFETの、ゲ
ート絶縁層として厚さが100オングストロームの窒化珪
素をもつもの及び厚さが50オングストロームの二酸化珪
素をもつものの飽和電流を示すグラフで、ドーピング傾
斜領域のオングストローム単位の厚さSの関数としてプ
ロットしてある。パラメタとしてソース/ドレイン・ド
ーピング濃度Ndoを動かしてあり、すべての場合にソー
ス/ドレインの深さは1500オングストロームである。飽
和電流が、拡散の濃度Ndoには拘わらず300オングストロ
ームより大きい傾斜距離Sとは独立であることは注目に
値する。また、拡散濃度が増加すれば飽和電流も増加す
ることも示されている。FIG. 30 is a graph showing the saturation current of a 0.8 micron N-channel Fermi-FET with 100 Å thick silicon nitride and 50 Å thick silicon dioxide as the gate insulating layer. Is plotted as a function of thickness S in Angstroms. The source / drain doping concentration Ndo was moved as a parameter, and in all cases the source / drain depth was 1500 Å. It is worth noting that the saturation current is independent of the slope S, which is greater than 300 Å, irrespective of the diffusion concentration N do . It is also shown that the saturation current increases as the diffusion concentration increases.
図31は、前と同じ構造でドーピング傾斜領域の厚さが
S=300オンストローム又はそれ以上の場合の飽和電流
を、ソース/ドレイン・ドーピング濃度の関数として示
したものである。図31ではチャネル長LOをパラメタとし
て動かしている。飽和電流は、ゲート電圧が5ボルト
で、しきい値電圧が0.8ボルトのとき、約17A/cmの最大
値に達することを示している。ゲート・キャパシタンス
Cg *の最大値には既に到達しているのだから、限界値よ
り上のソース/ドレイン・ドーピング濃度は飽和電流を
増加させない。選定された絶縁層の厚さと両立する最大
の飽和電流を達成するために、薄いゲート絶縁層は最高
の要求である。フェルミFETデバイスのチャネル長を短
縮することは、同じ最大電流に対するソース/ドレイン
・ドーピング濃度への要求条件を緩和する。フェルミFE
Tのチャネル長を短くするそれ以外の重要な理由はな
い。FIG. 31 shows the saturation current as a function of source / drain doping concentration for the same structure as above, but with a doping gradient region thickness of S = 300 Å or more. In FIG. 31, the channel length L O is moved as a parameter. The saturation current shows that it reaches a maximum of about 17 A / cm when the gate voltage is 5 volts and the threshold voltage is 0.8 volts. Gate capacitance
Source / drain doping concentrations above the limit do not increase the saturation current since the maximum value of C g * has already been reached. To achieve the maximum saturation current compatible with the thickness of the selected insulating layer, a thin gate insulating layer is the highest requirement. Reducing the channel length of a Fermi-FET device relaxes the requirements on source / drain doping concentration for the same maximum current. Fermi FE
There is no other important reason to shorten the channel length of T.
数式(58)と数式(47)とは、拡散の深さXjがフェル
ミの深さYfの代りになっていること、及びもしS>300
Åならば(S−X)/S=0.95であることを除き、同一で
ある。数式(32)を参照。従って、最大電流に達するの
に必要な最小拡散濃度は、XfをYfの代りに置いた数式
(47)と同じである。Xj>Yfであるすべての場合に、拡
散の深さXjの代りに用いることができるのである。Equations (58) and (47) show that the diffusion depth X j replaces the Fermi depth Y f , and that if S> 300
Å is the same except that (SX) /S=0.95. See equation (32). Therefore, the minimum diffusion concentration required to reach the maximum current is the same as equation (47) placing the X f instead of Y f. In all cases where X j > Y f , it can be used instead of the diffusion depth X j .
しきい値電圧を減少させたフェルミFET 再び図13を参照すれば、フェルミFET200のチャネル36
が、典型的には600ないし700オングストロームの深さYf
及び1立方センチメートル当たりのドーピング濃度Nch
を持つ。図17は、図13の構造に対する垂直電界の説明用
ダイヤグラムである。茲で Nsub=基板(substrate)の不純物濃度 Ntub=槽(tub)の不純物濃度 Ni =真性(intrinsic)キャリヤ濃度 eS =基板素材の誘電率 KT/q=室温で26ミリボルト とするとき、 及び とすれば、タブの深さYtubは次の数式: Ytub=YO+Yf (65) で定義される。Fermi-FET with Reduced Threshold Voltage Referring again to FIG.
But typically at a depth Y f of 600 to 700 angstroms
And doping concentration N ch per cubic centimeter
have. FIG. 17 is an explanatory diagram of a vertical electric field for the structure of FIG. N sub = when the impurity concentration N tub = bath (tub) impurity concentration N i = intrinsic (intrinsic) carrier concentration e S = permittivity KT / q = 26 millivolts at room temperature of the substrate material of substrate (Substrate) In茲, as well as Then, the tab depth Y tub is defined by the following equation: Y tub = Y O + Y f (65)
基板21内の空乏領域の深さYPは: YP=YnNtub/Nsub (68) という数式で表現できる。The depth Y P of the depletion region in the substrate 21 can be expressed by the following equation: Y P = Y n N tub / N sub (68)
図17を参照すれば、ゲート電圧Vg=Vtのときチャネル
領域Yfはしきい値で空乏化される。キャリヤしきい値を
超えてVg>Vtのとき、チャネルは電荷中立で、基板−タ
ブ接合からの垂直電界は、超過キャリヤしきい値Vtecの
上までゲート電圧が増加するのに伴い其処に貯積された
超過導通キャリヤの密度とは独立に、チャネル領域の両
端で0のままに留まる。超過キャリヤしきい値Vtecを定
義する数式は、Npolをポリシリコン・ゲート28b中のポ
リシリコン・ゲートと絶縁層とのインタフェースにおけ
るドーピング濃度とするとき: である。Referring to FIG. 17, the channel region Y f when the gate voltage V g = V t is depleted by the threshold. When V g> V t exceeds the carrier threshold, the channel charge neutral, substrate - vertical electric field from the tab junction, as the gate voltage to the top of the excess carrier threshold V tec increases that place Independent of the density of the excess conducting carriers stored in the channel region. The formula defining the excess carrier threshold V tec is when N pol is the doping concentration at the polysilicon gate-insulating layer interface in polysilicon gate 28b: It is.
しきい値電圧Vtは次の通り定義される: Vt=Vtec−Vcomp (70) 但し茲で補償電圧Vcompは表面電位損失φSすなわち: φS=((qNch)/2eS)Yf 2 (71) なるφSの総和であり、これは図17の斜線で覆った三角
形の部分である。また、ゲート絶縁層の両端に展開され
る電位Voxは: Vox=((qNch)/ei)YfTox (72) である。従ってしきい値電圧に対する数式は最終的に: と書くことができる。The threshold voltage V t is defined as follows: V t = V tec −V comp (70) where the compensation voltage V comp is the surface potential loss φ S, ie: φ S = ((qN ch ) / 2e S) is the sum of Y f 2 (71) becomes phi S, which is a part of the triangle covered by oblique lines in FIG. 17. The potential V ox developed at both ends of the gate insulating layer is as follows: V ox = ((qN ch ) / e i ) Y f T ox (72) So the formula for the threshold voltage is finally: Can be written.
数式(73)は、しきい値電圧が基本項Vtec及び数式
(52)から、チャネルの深さYf及びチャネル不純物濃度
Nchにより変形できる、ということを示している。絶縁
層の厚さは二次的な効果を持つ。基本的しきい値電圧頂
Vtecが多結晶シリコン・ゲート中のドーピング濃度NPOL
によって制御されることができる、ということに留意さ
れたい。従って、ここで ΔVt=フェルミ電位の2倍からしきい値電圧への変化
とするとき: となる。Equation (73), from the threshold voltage fundamental term V tec and Equation (52), the depth Y f and channel impurity concentration of the channel
It indicates that it can be transformed by N ch . The thickness of the insulating layer has a secondary effect. Basic threshold voltage
V tec is the doping concentration in the polysilicon gate N POL
Note that it can be controlled by Therefore, where ΔV t = change from twice the Fermi potential to the threshold voltage: Becomes
チャネルの深さYfを、注入された不純物濃度Nchとは
独立に、約600オングストロームの固定値に限定するこ
とは妥当である。チャネルの深さYfもドレイン飽和電流
を定める一因数であることは、前の節で既に示されてい
る。チャネルの深さYfの値を固定することは、飽和電流
としきい値電圧とを独立に制御することを許容する。極
めて高い駆動電流を実現するためには、フェルミ・チャ
ネルYf中のドーピング濃度Nchは、5E16/cm3より小さく
なければならない。さもなければ、キャリヤの可動性は
急速に減少して、5ボルトで高駆動電流を支持するのに
必要な値を下回ることになる。The depth Y f of the channel, independently of the implanted impurity concentration N ch, it is reasonable to limit the fixed value of about 600 angstroms. It has already been shown in the previous section that the channel depth Yf is also a factor in determining the drain saturation current. Fixing the values of channel depth Y f is allowed to independently control the saturated current and the threshold voltage. In order to achieve a very high drive current, the doping concentration N ch in the Fermi channel Y f must be less than 5E16 / cm 3 . Otherwise, the mobility of the carrier will decrease rapidly, at 5 volts, below the value required to support high drive current.
図18は、TOX=100Å,Npol=2E19,Ntub=2E16に対し
て、数式(73)をプロットしたものである。横軸にはチ
ャネル濃度をとり、縦軸はしきい値電圧である。パラメ
タとして動くのはチャネルの深さで、3つの値600オン
グストローム,700オングストローム,800オングストロー
ムをとっている。数式(73)から、しきい値電圧は、基
板濃度Nsubとは独立である。しかしタブの深さは数式
(66)に見られるように基板濃度に依存しており、して
積NtubNpolyがNsub 2に等しいとき、基板のフェルミ電位
の2倍であるしきい値が設定される。FIG. 18 is a plot of Equation (73) for T OX = 100 °, N pol = 2E19, and N tub = 2E16. The horizontal axis represents the channel concentration, and the vertical axis represents the threshold voltage. Moving as a parameter is the depth of the channel, taking three values 600 Å, 700 Å and 800 Å. From Expression (73), the threshold voltage is independent of the substrate concentration N sub . However, the depth of the tub is dependent on the substrate concentration, as seen in equation (66), and when the product N tub N poly is equal to N sub 2 , the threshold is twice the Fermi potential of the substrate. Is set.
従って図18に示す通り、しきい値電圧は、チャネル中
のドーピング濃度を増加させることにより低下させるこ
とができ、また逆に、チャネル濃度を低くすることによ
り上昇させることができる。3.3ボルト又はそれ以下で
動作させようと意図するならば、しきい値電圧を低くす
るのが望ましいであろう。副しきい値しきい値は、チャ
ネルのフェルミ電位の2倍、すなわち 2(KT/q)loge(Nch/Ni) だけ、しきい値電圧から離れている。これは図11の点A
と点Bの間の電圧の差である。Therefore, as shown in FIG. 18, the threshold voltage can be decreased by increasing the doping concentration in the channel, and conversely, can be increased by decreasing the channel concentration. If one intends to operate at 3.3 volts or less, it may be desirable to lower the threshold voltage. The sub-threshold threshold is separated from the threshold voltage by twice the Fermi potential of the channel, ie, 2 (KT / q) log e (N ch / N i ). This is point A in FIG.
And the point B.
漏洩電流はしきい値電圧に極めて敏感である。典型的
な副しきい値の傾斜は、ディケード(decade)当たり90
mVである。最小副しきい値漏洩電流に対して、ゲート電
圧が0であるか又は僅かに正のときに、副しきい値しき
い値が生じなければならない。サブミクロンのチャネル
長FETデバイスは、副しきい値領域(0ゲート・ボルト
領域)で困難が生じる。副しきい値しきい値としきい値
条件との電圧の差は典型的には790mVである。もし短チ
ャネル・デバイスが、例えば400mVのしきい値電圧を必
要とするならば、0ゲート電圧漏洩は、1E−13A/2ミク
ロンより約5ディケード上か、又はその値が約1E−8A/
ミクロンである。この漏洩電圧はVLSIの技術が許容する
には余りにも高い。Leakage current is very sensitive to threshold voltage. A typical subthreshold slope is 90 per decade.
mV. For the minimum sub-threshold leakage current, the sub-threshold threshold must occur when the gate voltage is zero or slightly positive. Sub-micron channel length FET devices have difficulties in the sub-threshold region (0 gate volt region). The voltage difference between the sub-threshold threshold and the threshold condition is typically 790 mV. If a short channel device requires a threshold voltage of, for example, 400 mV, the zero gate voltage leakage is about 5 decades above 1E-13A / 2 microns, or its value is about 1E-8A /
Micron. This leakage voltage is too high for VLSI technology to tolerate.
従って、フェルミFETのしきい値電圧は低くされるで
あろう。また一方で、0垂直静電界を供給するチャネル
及びタブの深さを選定することにより、且つ数式(73)
で与えられるより大きいチャネル・ドーピング濃度を供
給することにより、フェルミ・チャネルの深さにおける
基板表面に垂直な0静電界は依然として維持される。チ
ャネル・ドーピング濃度を漠然と増加させることはでき
ない、ということを当業者は理解しているであろう。特
に、チャネル濃度が5×1016より上では、キャリヤの可
動性が低下し始め、またデバイスの飽和電流が低下し始
める。しかし、チャネル・ドーピング濃度はそのドーピ
ング濃度から増加するであろうし、そのことは濃度が5
×1016まではフェルミ電位の2倍のしきい値電圧を生成
して、フェルミFETデバイスのしきい値電圧の低下が必
要であるか或いは望ましいと思われるときには、フェル
ミFETデバイスのしきい値電圧を低下させる。Therefore, the threshold voltage of the Fermi-FET will be lowered. On the other hand, by selecting the depth of the channel and tub that supply the zero vertical electrostatic field, and
By providing a larger channel doping concentration given by, the zero electrostatic field perpendicular to the substrate surface at the Fermi channel depth is still maintained. Those skilled in the art will understand that the channel doping concentration cannot be vaguely increased. In particular, above a channel concentration of 5 × 10 16 , carrier mobility begins to decrease and the device saturation current begins to decrease. However, the channel doping concentration will increase from that doping concentration, which means that the concentration
A threshold voltage of twice the Fermi potential is generated up to × 10 16, and when it is necessary or desirable to lower the threshold voltage of the Fermi FET device, the threshold voltage of the Fermi FET device is deemed necessary. Lower.
所与のフェルミ・チャネルの深さ、例えば600オング
ストロームに対して、しきい値電圧と飽和電流とは独立
に調整できる。ということも当業者は理解しているであ
ろう。飽和電流の調整は、前の節で述べた通り、チャネ
ルに隣接するソース及びドレイン拡散のドーピング濃度
を増加させることにより行われる。また、しきい値電圧
の調整は、それとは独立にチャネルのドーピング濃度を
増加させることにより行われる。従って、独立に制御さ
れるのである。For a given Fermi channel depth, eg, 600 Å, the threshold voltage and saturation current can be adjusted independently. Those skilled in the art will also understand that. Tuning the saturation current is accomplished by increasing the doping concentration of the source and drain diffusions adjacent to the channel, as described in the previous section. Adjustment of the threshold voltage is performed independently by increasing the doping concentration of the channel. Therefore, they are controlled independently.
MOSFETとフェルミFETとの比較 フェルミFET技術を除くいかなる先行技術のFET装置に
おいても、チャネルを横切る水平電界に加えて、垂直電
界が存在する。水平電界E1は、ソースおよびドレイン間
のチャネルに沿って配向されたドレイン・ソース電位に
よるものである。MOS装置における垂直電界は、ゲート
電圧がしきい値に達したときにゲート絶縁膜の下の空乏
化基板領域において発生される静止電荷によって現れ
る。この垂直電界は、反転少数キャリヤMOSチャネル領
域と交差し、その結果反転層が形成される。Comparison of MOSFETs and Fermi-FETs In any prior art FET device except Fermi-FET technology, there is a vertical electric field in addition to the horizontal electric field across the channel. Horizontal electric field E 1 is by the drain-source potential that is oriented along the channel between the source and the drain. Vertical electric fields in MOS devices are manifested by static charges generated in the depleted substrate region below the gate insulating film when the gate voltage reaches a threshold. This vertical electric field intersects the inverted minority carrier MOS channel region, resulting in the formation of an inverted layer.
フェルミFET技術は、フェルミタブとソースおよびド
レイン領域と同一のドーピングタイプを有するフェルミ
チャネル内で多数キャリヤを移動させる。フェルミFET
の設計は、過剰の多数キャリヤがソースおよびドレイン
間を流れている間、チャネルの交差によるいかなる垂直
電界や、多数キャリヤそれ自身によって生じる他のいか
なる垂直電界も防止する。Fermi-FET technology moves multiple carriers within a Fermi-channel having the same doping type as the Fermi-tub and source and drain regions. Fermi FET
This design prevents any vertical electric field due to channel crossing and any other vertical electric field caused by the majority carrier itself while excess majority carriers are flowing between the source and drain.
この節では、水平電界および垂直固有電界の双方の影
響を含むFETドレイン飽和電流の閉じた形式の式を記述
する。Nチャネル装置に関して7A/cmより大きく、Pチ
ャネル装置に関して4A/cmより大きい、ドレイン飽和電
流の大きい値を説明する一方、1E−13A/μm程度または
それ以下の小さい漏れ電流が、垂直電界成分を取り除く
フェルミFET設計によってのみ達成され得ることを説明
する。フェルミFETは、蓄積によって導通し、反転によ
って遮断する。MOSFETは、反転によって導通し、蓄積に
よって遮断する。反転および蓄積間の電位差は、双方の
場合においてチャネル領域のフェルミポテンシャルの2
倍である。This section describes a closed-form equation for FET drain saturation current that includes the effects of both horizontal and vertical eigenfields. While accounting for large values of drain saturation current, greater than 7 A / cm for N-channel devices and greater than 4 A / cm for P-channel devices, small leakage currents, on the order of 1E-13 A / μm or less, reduce the vertical electric field component. Explain that it can only be achieved by removing the Fermi-FET design. Fermi-FETs conduct by storage, and block by inversion. MOSFETs conduct by inversion and shut off by accumulation. The potential difference between inversion and accumulation is, in both cases, two times the Fermi potential of the channel region.
It is twice.
式(14)において示した、FET装置の飽和電流を、以
下の基本的な式によって記述することができる。The saturation current of the FET device shown in equation (14) can be described by the following basic equation.
Isat=Cg *(Vg−Vt)VLZCOSθ (74) ここで、 Cg *=移動電荷によるゲートキャパシタンス/cm2 Vg =ゲート電圧 Vt =しきい値電圧 VL =水平速度 Z =チャネル幅 θ=キャリヤの流れのベクトル場および水平方向間の
角度である。I sat = C g * (V g −V t ) V L ZCOSθ (74) where C g * = gate capacitance due to mobile charge / cm 2 V g = gate voltage V t = threshold voltage V L = horizontal Velocity Z = channel width θ = angle between carrier flow vector field and horizontal direction.
式(74)は、チャネル長Loの効果を明白に示していな
い。式(74)は、電荷は、キャパシタンスおよび電圧の
積、すなわちQ=CVであり、電流は、dQ/dtであるとす
る第1の原理的な考えから得られる。Equation (74) does not explicitly show the effect of the channel length Lo . Equation (74) follows from a first principle idea that the charge is the product of the capacitance and the voltage, ie, Q = CV, and the current is dQ / dt.
式(74)には、ゲート電圧Vgおよびしきい値電圧Vtの
他に、電流の流量を決定する3つの基本的なパラメータ
が存在する。これらのパラメータは、ゲートキャパシタ
ンスCg *、水平速度VLおよび角度θである。水平速度の
項は、ドレイン飽和電流の相互コンダクタンス特性の決
定における、キャリヤ移動度Ux、チャネル長Loおよび飽
和速度Vsatの役割を説明する。垂直電界は、角度θを規
定する。ゲートキャパシタンスの項Cg *は、電荷の移動
のみに適用し、単位電圧当たりのチャネル内を流れるこ
とができる電荷の最大量を制御する、絶縁膜の厚さおよ
びキャリヤの流れの深さの影響を説明する。The expression (74), in addition to the gate voltage V g and the threshold voltage V t, 3 three basic parameters that determine the flow of current is present. These parameters are the gate capacitance C g * , the horizontal velocity V L and the angle θ. The horizontal velocity term accounts for the role of carrier mobility U x , channel length Lo and saturation velocity V sat in determining the transconductance characteristics of the drain saturation current. The vertical electric field defines the angle θ. The gate capacitance term C g * applies only to charge transfer and controls the maximum amount of charge that can flow in the channel per unit voltage, the effect of insulating film thickness and carrier flow depth. Will be described.
MOSFETにおいて、ゲート電圧がしきい値に達した場
合、ゲートの下に多くの静止した電荷が存在する。この
電荷は、ゲートの下の空乏化した基板領域において存在
し、少数キャリヤ反転層を形成するのひ必要である。こ
の静止電荷Qimに関連したゲートキャパシタンスCgo *=
Qim/Vtが存在する。チャネル中の移動電荷の流れを説明
するゲートキャパシタンス係数Cgmax *も存在する。In a MOSFET, when the gate voltage reaches a threshold, there is a lot of static charge under the gate. This charge is present in the depleted substrate region under the gate and is necessary to form a minority carrier inversion layer. The gate capacitance Cgo * = associated with this static charge Qim
Q im / V t exists. There is also a gate capacitance coefficient C gmax * that accounts for the flow of mobile charge in the channel.
ここで、 Tox=ゲート絶縁膜の深さ δ=移動キャリヤの流れる深さ ei =ゲート絶縁膜の誘電率 es =半導体の誘電率である。 Here, T ox = depth of gate insulating film δ = depth of moving carrier e i = dielectric constant of gate insulating film e s = dielectric constant of semiconductor.
しきい値以上の所定のゲート電圧に対して、MOSゲー
トによって維持される合計の電荷は、 Q=[Cgo *Vt+(Cgmax *)(Vg−Vt)]A (76) であり、ここで、Cgo *≒ei/(2Tox)であり、移動電荷
は、式(76)の第2項である。Against a threshold or more predetermined gate voltage, the total electric charge maintained by MOS gates, Q = [C go * V t + (C gmax *) (V g -V t)] A (76) Where C go * ≒ e i / (2T ox ) and the mobile charge is the second term in equation (76).
フェルミFETに関する合計のゲートキャパシタンス
は、ゲート電圧がしきい値以上の場合、Cgmax *のみで
ある。移動電荷のみが、チャネル領域中にある。MOS装
置に関するゲートキャパシタンスの電荷の速度は、グラ
ンドからしきい値電圧へ上昇するゲート電圧に対して正
である一方、フェルミFETに関しては負である。フェル
ミFETのこの特性により、高速ディジタルシステムにお
いて、優れたノイズ除去特性が得られる。The total gate capacitance for Fermi FETs is only C gmax * for gate voltages above threshold. Only mobile charges are in the channel region. The rate of charge of the gate capacitance for MOS devices is positive for gate voltages rising from ground to the threshold voltage, while negative for Fermi-FETs. This characteristic of the Fermi-FET provides excellent noise rejection in high-speed digital systems.
ここで、垂直電界Epの影響を含む水平移動度に関する
閉じた形式の式を導く。この式は、飽和速度はベクトル
量であるという事実に基づく。この基本的な事実は、ド
リフト速度は、ベクトル場方向においてのみ熱飽和値に
達することができることを示している。熱電子以外にFE
Tチャネルにおける速度の正味の垂直成分は存在できな
いため、垂直電界の影響は、速度の水平成分を弱める効
果を与える。減衰率は、cosθであり、ここでθは、ベ
クトル場方向およびチャネルの流れ方向間の角度であ
る。したがって、FET装置においてドレイン電流を増大
させる水平速度は、V1cosθであり、ここでθは、ベク
トル場および水平電界成分間の角度である。このこと
を、図19に示す。Here, leads to expression of the form is closed about the horizontal mobility including the influence of the vertical electric field E p. This equation is based on the fact that the saturation rate is a vector quantity. This basic fact indicates that the drift velocity can reach thermal saturation only in the vector field direction. FE besides thermoelectrons
Since there is no net vertical component of velocity in the T-channel, the effect of the vertical electric field has the effect of weakening the horizontal component of velocity. The decay rate is cos θ, where θ is the angle between the vector field direction and the channel flow direction. Thus, the horizontal rate of increasing the drain current in a FET device is V 1 cos θ, where θ is the angle between the vector field and the horizontal electric field component. This is shown in FIG.
水平電界の影響による水平移動は、機知である。式
(77a)は、過剰電子の水平移動度を決定し、式(77b)
は、ホールの水平移動度を決定する。Horizontal movement under the influence of a horizontal electric field is witty. Equation (77a) determines the horizontal mobility of the excess electrons, and equation (77b)
Determines the horizontal mobility of the hole.
水平速度は、水平電界E1および水平移動度μ1の積で
ある。E1は、ピンチオフ電圧による過剰キャリヤの周囲
におけるチャネルのソース端における水平ドレイン電界
であり、Ecは、臨界水平電界であり、例えば、ホール移
動度は、その低電界値の半分である。したがって、 となり、ここで、 μoは、ドーピングされた半導体の低電界移動度であ
り、 Vsatは、温度Tにおける熱飽和速度である。 The horizontal speed is the product of the horizontal electric field E 1 and the horizontal mobility μ 1 . E 1 is the horizontal drain field at the source end of the channel around the excess carrier due to the pinch-off voltage, and E c is the critical horizontal field, for example, the hole mobility is half its low field value. Therefore, Where μ o is the low field mobility of the doped semiconductor and V sat is the thermal saturation rate at temperature T.
式(78)は、水平方向に加えてベクトル方向において
正しい。Equation (78) is correct in the vector direction in addition to the horizontal direction.
式(77a)および(77b)を、チャネルと交差する垂直
電界の影響を含ませることによって修正し、チャネルに
おける正確な垂直移動を反映させる必要がある。移動度
および速度の垂直成分は、単純にベクトル方向にcosθ
を掛けた値である。以下の定義を使用する。Equations (77a) and (77b) need to be modified to include the effect of the vertical electric field crossing the channel to reflect the exact vertical movement in the channel. The vertical components of mobility and velocity are simply cosθ in the vector direction.
Multiplied by. Use the following definitions:
Tanθ=Ep/E1′ (80) cosθは、チャネル領域における垂直および水平電界
成分の項による、以下の解を有する。 Tan θ = E p / E 1 ′ (80) cos θ has the following solution according to the terms of the vertical and horizontal electric field components in the channel region.
式(78)を使用して、式(77a)および(77b)を修正
し、チャネルにおける正確な水平移動を反映させること
ができる。 Equation (78) can be used to modify equations (77a) and (77b) to reflect the exact horizontal shift in the channel.
水平速度が水平電界および水平移動度の積であること
から、ホールおよび電子の双方に対する水平速度の一般
式を、以下のように書くことができる。 Since the horizontal velocity is the product of the horizontal electric field and the horizontal mobility, a general equation for the horizontal velocity for both holes and electrons can be written as:
一般に、ホールおよび電子に対する水平速度を、 と表すことができ、ここで、 は、ドレインピンチオフによる水平電界であり、 は、MOS反転を保持するのに必要な垂直電界であり、 であり、 であり、 Eh=Vdd/Loは、ドレイン電圧による水平電界であり、 Nsub=フェルミFETに対する基板濃度Niであり、 は、フェルミポテンシャルであり、 であり、 Lo =チャネル長であり、 Vdd=電源電圧である。 In general, the horizontal velocity for holes and electrons is Where: Is the horizontal electric field due to drain pinch-off, Is the vertical electric field required to maintain the MOS inversion, And In and, E h = V dd / L o is the horizontal electric field due to the drain voltage, a substrate concentration N i for N sub = Fermi FET, Is the Fermi potential and Where L o = channel length and V dd = power supply voltage.
式(84a)および(84b)を使用して、図20Aおよび20B
は、電子およびホールの各々に対する最大水平速度の曲
線である。双方の場合における速度は、ドレイン電圧の
関数として描かれており、2E16から2E17の範囲における
基板濃度Nsubは、MOS装置に対して、Nsub=Niはフェル
ミFETに対して描かれている。図示したように、水平電
子速度は、ゲート電圧が5Vの場合、フェルミFETに対し
てほぼ飽和値に達する。すべての過剰キャリヤの流れ
は、表面より下にあり、したがってMOS装置によって発
生された垂直電界は、キャリヤの流れの深さδを横切っ
てほぼ最大値を有する。Using equations (84a) and (84b), FIGS. 20A and 20B
Is the maximum horizontal velocity curve for each of the electrons and holes. The speed in both cases is plotted as a function of drain voltage, the substrate concentration N sub in the range 2E16 to 2E17 is plotted for MOS devices, and N sub = N i is plotted for Fermi FETs. . As shown, the horizontal electron velocity reaches a nearly saturated value for the Fermi-FET when the gate voltage is 5V. All excess carrier flow is below the surface, and thus the vertical electric field generated by the MOS device has a near maximum value across the carrier flow depth δ.
図20Aおよび20Bの双方において、タブFETにおける水
平多数キャリヤ速度は最大値に達し、チャネルと交差す
る垂直電界は存在しなくなる。他の曲線は、しきい値お
よびそれ以上の垂直電界を発生する。2E16から2E17の範
囲の基板ドーピング濃度を有するMOS装置に対応する。
少数キャリヤMOS構造に関して、垂直電界は、反転構造
を形成するのに必要である。角度θは、ドレイン電圧に
よって影響を受け、ピンチオフ電圧によっては影響を受
けない。この理由は、MOS装置のドレイン飽和電流は、
タブFET装置のドレイン飽和電流の半分より小さいから
である。In both FIGS. 20A and 20B, the horizontal majority carrier velocity in the tub FET reaches a maximum and there is no vertical electric field crossing the channel. Other curves generate vertical electric fields at and above the threshold. It corresponds to a MOS device having a substrate doping concentration in the range 2E16 to 2E17.
For a minority carrier MOS structure, a vertical electric field is needed to form an inversion structure. Is affected by the drain voltage and not by the pinch-off voltage. The reason is that the drain saturation current of the MOS device is
This is because it is smaller than half the drain saturation current of the tab FET device.
図21Aおよび21Bは、上述した状況に対する係数cosθ
を示す。チャネル長Loは、図21Aに関して0.8μmで、図
21Bに関して0.5μmである。双方の場合においてcosθ
は、フェルミFETに対してのみ、1.0の最大値を有する。
ドレイン飽和電流が、Lsat=Cg *(Vg−Vc)V1Zcosθで
あることから、フェルミFETは、最大駆動電流能力を実
現する。21A and 21B show the coefficients cosθ for the situation described above.
Is shown. The channel length Lo is 0.8 μm with respect to FIG.
0.5 μm for 21B. Cosθ in both cases
Has a maximum of 1.0 for Fermi FETs only.
Since the drain saturation current is L sat = C g * (V g −V c ) V 1 Zcos θ, the Fermi FET achieves the maximum drive current capability.
MOS装置に関して、垂直電界Epとしきい値電圧Vtとの
間に関数が存在する。双方の量は、基板ドーピング濃度
を含む。この関係をここに記述し、MOS装置に対するド
レイン飽和電流を、フェルミFETの値と比較できるよう
にする。Respect MOS device, there is a function between the vertical electric field E p and the threshold voltage V t. Both quantities include the substrate doping concentration. This relationship is described here so that the drain saturation current for a MOS device can be compared to the value of a Fermi-FET.
NチャネルMOS装置のゲート電極の中心から基板接点
への等高線に沿った電位の合計は、以下の式で与えられ
る。The sum of the potentials along the contour from the center of the gate electrode of the N-channel MOS device to the substrate contact is given by the following equation.
ここで、 φsは、ゲートの下の基板領域と交差する垂直方向に
おける電位の上昇であり、 Nsub =基板ノード、 Npoly=ポリゲートにおけるドーピング濃度、 DFTL =ドレイン電界の垂直成分によるチャネルのソ
ース端におけるゲート絶縁膜の両端間における電圧効
果、 Vox =垂直電界によってゲート絶縁膜の両端間に現
れる電位である。 Where φ s is the potential rise in the vertical direction intersecting the substrate region under the gate, N sub = substrate node, N poly = doping concentration at the poly gate, DFTL = the source of the channel due to the vertical component of the drain field The voltage effect between both ends of the gate insulating film at the end, V ox = the potential appearing across the gate insulating film due to the vertical electric field.
P型多結晶シリコンを使用する場合、Pチャネル装置
に対する解は、式(85)と、極性に関する項を除いて一
致する。発散定理およびポアソンの方程式を使用して、
Voxおよびφsに対する式を以下に与える。When using P-type polycrystalline silicon, the solution for the P-channel device agrees with equation (85) except for the polarity term. Using the divergence theorem and Poisson's equation,
The equations for V ox and φ s are given below.
ここでEsは、絶縁膜の下の基板における垂直表面電界
である。 Here E s is a vertical surface electric field at the substrate under the insulating film.
そして、Ntcは、ゲート絶縁膜において捕獲された電
荷の体積密度である。図(86a)において正の符号を、
捕獲された電荷に用いる。代入すると、 となり、ここで、 Ci=絶縁膜のキャパシタンスei/Tox、 δ=キャリヤ流の深さ、 Yi=ゲートの下の基板空乏層の深さである。 N tc is the volume density of charges captured in the gate insulating film. In FIG. (86a), the positive sign is
Used for trapped charge. Substitution gives Where C i = capacitance of the insulating film e i / T ox , δ = depth of the carrier flow, and Y i = depth of the substrate depletion layer below the gate.
係数qNchδ、qNsubYiおよびqNtcToxを、以下のように
電荷密度の項において記述することができる。The coefficients qN ch δ, qN sub Y i and qN tc T ox can be described in terms of charge density as follows :
qNchδ=Qch *、チャネル電荷密度、 qNsubYi=Qsub *、基板空乏層電荷密度、 QNtcTox=Qtc *、ゲート絶縁膜において捕獲された電
荷の密度である。qN ch δ = Q ch * , channel charge density, qN sub Y i = Q sub * , substrate depletion layer charge density, QN tc T ox = Q tc * , density of charges captured in the gate insulating film.
これらの式を式(87)に代入し、項を修正すると、酸
化物電圧効果Voxに対する以下の式が得られる。Substituting these equations into equation (87) and modifying the terms yields the following equation for the oxide voltage effect V ox :
表面電位φsは、以下の式を有する。 Surface potential phi s has the formula.
Voxおよびφに対する前記規定に基づいて、ゲート電
圧に対する式、式(85)を以下のように拡張することが
できる。 Based on the above rules for V ox and φ, the equation for gate voltage, equation (85), can be extended as follows:
式(90)における第1電圧項は、移動電荷によるもの
である。第2および第3項は、基板中の静止電荷と、ゲ
ート絶縁膜中に捕獲された電荷との各々によるものであ
る。最後の項は、フラットバンド電圧と、ドレイン電界
の垂直成分によって絶縁膜の両端間に現れる電圧であ
る。この効果をDFTL、ドレイン電界しきい値低下(Drai
n Field Threshold Lowering)と呼ぶ。 The first voltage term in equation (90) is due to mobile charge. The second and third terms are due to the static charge in the substrate and the charge trapped in the gate insulating film, respectively. The last term is the flat band voltage and the voltage appearing across the insulating film due to the vertical component of the drain electric field. This effect is reduced by DFTL,
n Field Threshold Lowering).
式(90)から、しきい値電圧は、 である。From equation (90), the threshold voltage is It is.
強反転が生じた場合、絶縁膜の下の空乏層領域の深さ
は、 である。When strong inversion occurs, the depth of the depletion layer region below the insulating film becomes It is.
式(92)と電荷密度の規定とを使用して、以下の式
は、しきい値電圧を規定する。Using equation (92) and the definition of charge density, the following equation defines the threshold voltage.
2φf=KT/q 1n(Nsub/Ni)2およびDFTL=VdesTox
/2Loei)であるから、代入すると、 となる。 2φ f = KT / q 1n ( N sub / N i) 2 and DFTL = V d e s T ox
/ 2L o e i ) Becomes
式(94)の捕獲された酸化物電荷の項について記述す
る。捕獲された電荷が負である場合、正の符号を用い
る。捕獲された電荷が正である場合、負の符号を用い
る。捕獲された電荷によるしきい値電圧の影響は、ゲー
ト絶縁膜の厚さの自乗、Tox 2に依存する。The term of the trapped oxide charge in the equation (94) will be described. If the trapped charge is negative, a positive sign is used. If the trapped charge is positive, a negative sign is used. Effect of the threshold voltage due to trapped charge is the square of the thickness of the gate insulating film is dependent on T ox 2.
捕獲された電荷の体積および面積密度は、Tox=100Å
として、しきい値電圧を100mvに変更する必要があり、 である。 The volume and area density of the trapped charge is T ox = 100Å
It is necessary to change the threshold voltage to 100mv, It is.
多量の捕獲された電荷は、しきい値電圧を大幅に変更
できることよりも必要であることは、式(95)から明ら
かである。このしきい値電圧の分析と、それが捕獲され
た電荷に依存することとから、MOS装置によるいわゆる
「熱電子」問題の原因である実際の機構を推論すること
ができる。MOS装置における空乏化した基板領域によっ
て発生する絶縁膜−基板接触面における垂直電界は、ゲ
ート絶縁膜における電子を捕獲する確率に大きな影響を
及ぼし、それによって「熱電子」を発生させる。It is evident from equation (95) that a large amount of trapped charge is required rather than being able to significantly change the threshold voltage. From the analysis of this threshold voltage and its dependence on the trapped charge, the actual mechanism responsible for the so-called "thermo-electron" problem with MOS devices can be inferred. The vertical electric field at the insulator-substrate interface created by the depleted substrate region in a MOS device has a significant effect on the probability of trapping electrons in the gate insulator, thereby generating "thermal electrons".
MOSFETに対するしきい値電圧の決定に戻って、しきい
値電圧に対する式、式(94)を、対数の項を開き、正味
のしきい値電圧Vtent=Vt+KT/q1n(Npoly/Nsub)を規
定することによって修正する。したがって、式(94)
は、 となる。Returning to the determination of the threshold voltage for MOSFET, the expression for the threshold voltage, equation (94), open the logarithmic terms, net of the threshold voltage V tent = V t + KT / q1n (N poly / N amend by specifying sub ). Therefore, equation (94)
Is Becomes
垂直電界Epの基本的な式を得るために、式(96)を、
基板濃度Nsubについて解く。チャネルのソース端におけ
るEpは、以下のような基板ドーピング濃度Nsubの項で与
えられる。In order to obtain the basic equations of the vertical electric field E p, equation (96),
Solve for the substrate concentration Nsub . E p at the source end of the channel is given by the substrate doping concentration N sub sections as follows.
したがって、式(96)をNsubについて解くと、 となる。 Therefore, solving equation (96) for N sub gives Becomes
式(98)を式(97)に代入して、MOS装置に対する垂
直電界Epについての式を得る。Equation (98) into equation (97), obtain the expression for the vertical electric field E p for MOS devices.
捕獲された電荷の式は、垂直電界の式において現れ、
ドレイン電界しきい値項は現れないことが分かる。負の
符号は、電子が捕獲されることに対応する。したがっ
て、電子の捕獲は、垂直MOS電界を減少させる。すなわ
ち、捕獲された電荷は、cosθに影響することによっ
て、ドレイン飽和電流に影響する恐れがある。反転させ
る必要がある代表的なMOS装置における垂直電界を、1E5
ボルト/cm程度とし、絶縁膜における電荷捕獲を維持す
るのに十分なほど大きくする。捕獲された電荷は、容易
にこの値を10%変化させる。 The trapped charge equation appears in the vertical field equation,
It can be seen that the drain electric field threshold term does not appear. A negative sign corresponds to an electron being captured. Thus, electron capture reduces the vertical MOS electric field. That is, the trapped charge may affect the drain saturation current by affecting cosθ. The vertical field in a typical MOS device that needs to be inverted is 1E5
The voltage is set to about volt / cm, which is large enough to maintain charge trapping in the insulating film. The trapped charge easily changes this value by 10%.
式(99)を、MOSドレイン飽和電流の決定に使用する
必要がある。しきい値電圧に対する値を、チャネル領域
のフェルミポテンシャルの2倍より小さくしてはなら
ず、もしそうでなければ、漏れ電流は、2φf以下のし
きい値の80mVの増分毎に10増加してしまう。Equation (99) must be used to determine the MOS drain saturation current. The values for the threshold voltage must not be less than twice the Fermi potential of the channel region, if not, the leakage current is 10 increased for each increment of 80mV below the threshold 2 [phi f Would.
式(99)は、基板密度に対する固有値を含む。式(9
9)を、0.15μmになるすべてのチャネル長のMOSパンチ
スルー状態が破壊される恐れを取り除くのに使用するこ
とができるのが分かる。Equation (99) includes the eigenvalue for the substrate density. Expression (9
It can be seen that 9) can be used to eliminate the risk of destruction of the MOS punch-through state for all channel lengths of 0.15 μm.
要約として、式(99)を示している。その最も簡単な
形式において、MOS垂直電界の強度は、しきい値電圧と
ともに直線的に変化し、ゲート絶縁膜の厚さに反比例し
て変化する。MOSスケーリング則は、比Vt/Toxを一定に
保持することを示唆する。しかしながら、この状態は、
サブスレッショルド漏れ電流がフェルミポテンシャルの
2倍より下のしきい値電圧の80mVの増分ごとに10増加し
てしまうため、失敗である。飽和電流は、しきい値電圧
Vtの減少によって増加すると、式(99)によって予測さ
れる。しかしながら、漏れ電圧は、劇的に増加する。Equation (99) is shown as a summary. In its simplest form, the intensity of the MOS vertical electric field varies linearly with the threshold voltage and varies inversely with the thickness of the gate insulating film. MOS scaling law suggests keeping the ratio V t / T ox constant. However, this condition
This is a failure because the subthreshold leakage current increases by 10 for every 80 mV increment of the threshold voltage below twice the Fermi potential. The saturation current is the threshold voltage
Increasing the reduction of V t, as predicted by equation (99). However, the leakage voltage increases dramatically.
図22Aは、「軽くドーピングされた」拡散層、LDDを有
する代表的なMOS装置の断面図である。MOS装置に対する
軽いドーピングは、1E19不純物イオン/cm3程度における
ものである。FIG. 22A is a cross-sectional view of a representative MOS device having a “lightly doped” diffusion layer, LDD. Light doping for MOS devices is on the order of 1E19 impurity ions / cm 3 .
このMOS装置に対するしきい値における垂直電界の図
を、図22Bに示す。Yiは、しきい値におけるMOSゲートの
下の空乏化領域の深さを規定する。絶縁膜−基板接合面
の下の流れの深さも示しており、これは反転深さと呼ば
れる。この深さを流れる過剰に注入されたキャリヤは、
強力な垂直電界の影響を受け、水平キャリヤ速度が低下
する。A diagram of the vertical electric field at the threshold for this MOS device is shown in FIG. 22B. Y i defines the depth of the depletion region below the MOS gate at the threshold. It also shows the depth of flow below the insulating film-substrate interface, which is called the inversion depth. Excess carrier injected at this depth
Under the influence of a strong vertical electric field, the horizontal carrier speed decreases.
図23Aは、軽くドーピングされた拡散層を有する代表
的なP型の「埋め込みチャネル」MOS装置の断面図であ
る。垂直電界の図を、代表的な埋め込みチャネル装置に
対して、しきい値の状態に対して図23Bに示す。ゲート
絶縁膜の下の空乏化基板領域の深さは、しきい値におけ
るゲート電圧に対応する。埋め込みキャリヤは、絶縁膜
と交差する垂直電界を減少させることによって、しきい
値電圧を変化させる。FIG. 23A is a cross-sectional view of an exemplary P-type “buried channel” MOS device having a lightly doped diffusion layer. A vertical electric field diagram is shown in FIG. 23B for a typical buried channel device for threshold conditions. The depth of the depleted substrate region below the gate insulating film corresponds to the gate voltage at the threshold. The buried carrier changes the threshold voltage by reducing the vertical electric field crossing the insulating film.
図24は、図13のフェルミFETに対する垂直電界の図で
ある。しきい値より上のすべての電圧に対して、垂直電
界は、図24においてYfで示されるフェルミチャネルの全
体の深さを横切らない。したがって、この領域を流れる
蓄積された過剰多数キャリヤは、最大の水平移動度を有
する。さらに、過剰キャリヤしきい値電圧は、ゲート絶
縁膜の厚さに依存しない。この効果は、しきい値付近の
静電垂直電界がないことによるものである。したがっ
て、フェルミFET駆動電流能力を、酸化物の厚さおよび
拡散濃度によって、他の構造上の設計理由の考慮または
変更なしに選択することができる。FIG. 24 is a diagram of the vertical electric field for the Fermi-FET of FIG. For all voltages above the threshold, a vertical electric field does not traverse the entire depth of the Fermi channel indicated by Y f in FIG. 24. Therefore, the accumulated excess carriers flowing through this area have the greatest horizontal mobility. Further, the excess carrier threshold voltage does not depend on the thickness of the gate insulating film. This effect is due to the absence of an electrostatic vertical electric field near the threshold. Thus, the Fermi-FET drive current capability can be selected by oxide thickness and diffusion concentration without considering or changing other structural design reasons.
フェルミタブFET飽和電流は、Nチャネル装置に対し
て であり、Pチャネル装置に対して、 である。Fermi-tub FET saturation current for N-channel devices And for a P-channel device: It is.
上述した式のすべてに対して、以下の規定を用いるこ
とができる。The following rules can be used for all of the above equations.
、最大ゲートキャパシタンス、F/cm2であり、ここで、 δ =過剰に注入されたキャリヤの流れの深さ、 Tox =ゲート絶縁膜の厚さ、 es =シリコンの誘電率、 ei =ゲート絶縁膜の誘電率、 Vsat=熱飽和速度、 Vt =しきい値電圧、 Lo =チャネル長、 Z =チャネル幅、 μxo=キャリヤxの低電界移動度、 Nsub=基板ドーピング濃度である。 , Maximum gate capacitance, F / cm 2 , where δ = depth of excess injected carrier flow, T ox = gate dielectric thickness, e s = dielectric constant of silicon, e i = Dielectric constant of gate insulating film, V sat = thermal saturation rate, V t = threshold voltage, L o = channel length, Z = channel width, μ xo = low electric field mobility of carrier x, N sub = substrate doping concentration It is.
図25A〜25Cは、NMOSおよびNフェルミFETの、ゲート
電圧Vgの関数としてのドレイン飽和電流の比較であり、
ランニングパラメータとしてのチャネル長Loの比較であ
る。図26A〜26Cは、Pチャネル技術に対するものであ
る。すべての曲線において、しきい値電圧はフェルミポ
テンシャルの2倍、または0.8V程度である。このしきい
値電圧は、ゲート電圧が接地電位の場合、最小の漏れ電
流、すなわち1E−13アンペア/μmを保証する。ゲート
絶縁膜の厚さは、図25Aおよび26AにおいてSiO2の140Å
であり、図25Bおよび26Bにおいて100Åであり、図25Cお
よび26Cにおいて50Åである。図25Cおよび26Cにおい
て、ドレイン電源電圧は、他の図における5ボルトより
むしろ3ボルトである。フェルミFETのみが、Nチャネ
ル装置に対して7A/cm以上の飽和電流を発生することが
でき、Pチャネル装置に対して4A/cmまたはそれ以上の
飽和電流を発生することができることは、図から明らか
である。これらの大きい電流は、流れチャネルと交差す
る垂直電界が存在しない、すなわちcosθが1に近いこ
とによるものである。FIGS. 25A-25C are comparisons of drain saturation current as a function of gate voltage V g for NMOS and N Fermi FETs;
It is a comparison of the channel length L o of the running parameters. 26A-26C are for P-channel technology. In all curves, the threshold voltage is twice the Fermi potential, or about 0.8V. This threshold voltage ensures a minimum leakage current, ie, 1E-13 amps / μm, when the gate voltage is at ground potential. The thickness of the gate insulating film, 140 Å of SiO 2 in FIG. 25A and 26A
And is 100 ° in FIGS. 25B and 26B and 50 ° in FIGS. 25C and 26C. 25C and 26C, the drain supply voltage is 3 volts rather than 5 volts in other figures. It can be seen from the figure that only Fermi-FET can generate a saturation current of 7 A / cm or more for an N-channel device and 4 A / cm or more for a P-channel device. it is obvious. These large currents are due to the absence of a vertical electric field crossing the flow channel, ie, cosθ approaching unity.
境界タブフェルミFET ここで図33Aおよび33Bを参照して、図1のフェルミFE
T20の一部を示す断面図と、対応する電界の図を示す。
同様の符号は、図1の同様の要素に関係する。図33A
は、ソースおよびドレイン領域23および24を各々示して
いないことを理解されたい。境界タブフェルミFETは、
ソースおよびドレイン注入領域37、38または側壁スペー
サ41を含まないことも、当業者には理解されたい。Boundary Tab Fermi FET Referring now to FIGS. 33A and 33B, the Fermi FE of FIG.
A cross-sectional view showing a part of T20 and a corresponding electric field diagram are shown.
Like numbers refer to like elements in FIG. FIG.
Does not show source and drain regions 23 and 24, respectively. The boundary tab Fermi FET is
Those skilled in the art will also understand that they do not include the source and drain implant regions 37, 38 or sidewall spacers 41.
本発明によれば、フェルミタブの深さおよびドーピン
グ濃度は、最適の高い駆動能力と小さい漏れ電流をフェ
ルミFETの性能が達成するように制限される。これらの
制限条件は、代表的にNチャネル装置よりPチャネル装
置に対する方が、より厳しい。なぜなら、Pチャネル装
置のホールの移動度は、Nチャネル装置よりも小さく、
したがってPチャネル飽和電流は移動度に完全に依存し
なくはないからである。しかしながら、境界タブを、N
チャネルおよびPチャネル装置の双方に好適に使用する
ことができる。According to the present invention, the depth and doping concentration of the Fermi-tub is limited so that the performance of the Fermi-FET achieves an optimal high driving capability and low leakage current. These restrictions are typically more severe for P-channel devices than for N-channel devices. Because the mobility of holes in the P-channel device is smaller than that in the N-channel device,
Therefore, the P-channel saturation current is not completely dependent on the mobility. However, if the boundary tabs are
It can be suitably used for both channel and P-channel devices.
所定のフェルミタブおよび実効基板ドーピング濃度に
対して、深いフェルミタブの設計は、大きいドレイン漏
れ電流をもたらす。フェルミタブの深さを浅くすると、
漏れ電流は、1E−15A/cmと小さくなるが、飽和電流は、
通常より15%程度小さくなる。フェルミタブの深さを浅
くし過ぎると、フェルミチャネルは除去され、定常状態
の垂直電界が、絶縁膜−タブ接触面に密接したタブ領域
内に導かれる。この垂直電界成分は、多数キャリヤの移
動度を大幅に減少させ、その結果、チャネル飽和電流を
減少させる。上述したように、フェルミFETに対する基
本的な基準の一つは、定常状態の垂直電界が、絶縁膜−
タブ接触面において、しきい値またはそれ以上のいかな
るゲート電圧においても存在せず、他の電界成分は、過
剰キャリヤそれ自身によって発生するというものであ
る。For a given Fermitab and effective substrate doping concentration, a deep Fermitab design results in a large drain leakage current. If you reduce the depth of Fermitab,
The leakage current is as small as 1E-15A / cm, but the saturation current is
It is about 15% smaller than usual. If the depth of the Fermi-tub is made too shallow, the Fermi-channel will be removed and a steady state vertical electric field will be directed into the tub region close to the insulator-tub interface. This vertical electric field component greatly reduces the mobility of majority carriers and consequently reduces the channel saturation current. As mentioned above, one of the basic criteria for Fermi-FETs is that the steady-state vertical electric field
At the tab contact surface, it is not present at any gate voltage above the threshold or above, and the other electric field components are generated by the excess carrier itself.
図33Bは、ゲート電圧がしきい値である場合の正常の
NチャネルフェルミFETの振る舞いに対応する。図33Aに
示す装置のゲート接点より下の固有電界の図を示す。ゲ
ート電極から開始し、フェルミチャネルに直交する線に
沿った等電位線は、ゲートから基板接点に向かって与え
られ、 Vt=Vpol−Vox−φch+φsurf−Vsub (101) であり、ここで、 である。FIG. 33B corresponds to the behavior of a normal N-channel Fermi-FET when the gate voltage is at the threshold. FIG. 33B shows a diagram of the intrinsic electric field below the gate contact of the device shown in FIG. 33A. Starting from the gate electrode, an equipotential line along a line perpendicular to the Fermi channel is given from the gate to the substrate contact, and V t = V pol −V ox −φ ch + φ surf −V sub (101) Yes, where It is.
式(101)を、式(102a)から(102e)の視点から拡
張し、簡単にすると、 となり、ここですでに記述したように、 である。Extending equation (101) from the perspective of equations (102a) to (102e) and simplifying it, And, as already described here, It is.
したがって式(103)は、 となる。Therefore, equation (103) becomes Becomes
式(104)の最後の項は、代表的に50mVであり、以下
の分析においては無視する。式(104)を上述した視点
から簡単にすると、しきい値電圧に対する以下の式が得
られる。The last term in equation (104) is typically 50 mV and is ignored in the following analysis. Simplifying the equation (104) from the above viewpoint, the following equation for the threshold voltage is obtained.
ゲート電圧が、しきい値以下の接地電位(Nチャネル
装置)に低下している場合、反転状態が、ドレインおよ
びソース拡散層間のフェルミタブ領域において形成され
る。シミュレーションは、この反転機構が、ソースおよ
びドレイン間の、ゲート接触部からタブ−基板接合部に
延在する独特のインジェクションバリアを形成すること
を示している。このインジェクションバリアは、特有の
形状を有し、ソースを包囲するように位置する。図34A
は、ドレイン32に5ボルト印加し、ゲート28およびソー
ス31に0ボルト印加した。0.8μmのチャネル長を有す
るフェルミFETの、インジェクションバリアとして作用
する全体として閉じた反転領域のシミュレーションであ
る。最も小さい反転密度線は、1立方センチメートル当
たり1E12を示す。 When the gate voltage drops to a ground potential (N-channel device) below the threshold, an inversion state is formed in the Fermi-tub region between the drain and source diffusion layers. Simulations show that this inversion mechanism creates a unique injection barrier between the source and drain, extending from the gate contact to the tub-substrate junction. The injection barrier has a unique shape and is positioned to surround the source. FIG.
Applied 5 volts to the drain 32 and 0 volts to the gate 28 and the source 31. 3 is a simulation of a generally closed inversion region acting as an injection barrier for a Fermi FET having a channel length of 0.8 μm. The smallest inversion density line shows 1E12 per cubic centimeter.
閉じた反転インジェクションバリアの状態を示す式
を、以下に与える。An equation indicating the state of the closed reversal injection barrier is given below.
したがって、 式(107)は、フェルミタブの最大の深さを規定する。
より深いタブの深さでは、ゲートに0Vを印加した場合反
転インジェクションバリアを閉じるように形成すること
ができない。結果として、増大されたドレイン漏れ電流
が得られる。 Therefore, Equation (107) defines the maximum depth of the Fermitab.
With a deeper tub depth, it is not possible to form the inversion injection barrier to close when 0 V is applied to the gate. As a result, an increased drain leakage current is obtained.
最小のフェルミタブの深さを、Yoと規定し、このタブ
の深さは、式(105)によって指定されたしきい値状態
において基板−タブ接合部によるタブの完全な空乏化を
可能にする。The minimum depth of the Fermi-tab, defined as Y o, depth of the tab substrate in the threshold state specified by the formula (105) - to allow full depletion of the tab by tab junction I do.
フェルミタブの深さを式(108)の最小値より浅くす
ると、絶縁膜−タブ接触面の付近に定常状態の垂直電界
が形成され、多数キャリヤの移動度が大幅に低下する。
最終的な結果は、飽和電流の減少およびピンチオフ電圧
の増加である。しかしながら、漏れ電流は、1E−15A/cm
程度になる。 When the Fermi-tub depth is shallower than the minimum value of Expression (108), a steady-state vertical electric field is formed near the insulating film-tab contact surface, and the mobility of the majority carrier is greatly reduced.
The end result is a decrease in saturation current and an increase in pinch-off voltage. However, the leakage current is 1E-15A / cm
About.
図35は、フェルミタブの深さの高い性能を示す最大値
および最小値を、タブドーピング濃度Ntubの関数として
グラフ的に示す。図35は、式(107)および(108)を基
礎とするものである。最大のタブの深さに対するランニ
ングパラメータは、5E16から1E17の範囲における基板濃
度Nsubである。最小のタブの深さは、基板ドーピング濃
度Nsubに依存し、一方最大のタブの深さは、ポリシリコ
ンゲートドーピング濃度に依存する。FIG. 35 graphically illustrates the maximum and minimum values indicating the high performance of Fermi-tub depth as a function of the tub doping concentration N tub . FIG. 35 is based on equations (107) and (108). Running parameters for maximum depth of the tab is the substrate concentration N sub in the range of 1E17 from 5E16. The minimum tub depth depends on the substrate doping concentration Nsub , while the maximum tub depth depends on the polysilicon gate doping concentration.
高い性能のフェルミタブの深さの設計は、飽和電流を
最大にし、漏れ電流を最小にする、最大値と最小値との
間の制限された範囲内にある。0.8μmの装置を、キャ
リヤの移動度を最大にするために、例えば1.5E16程度の
軽いタブドーピング濃度において動作させることも必要
である。2.5E16付近のタブ濃度が、0.5μmのチャネル
長を有するフェルミFETに対して好適である。High performance Fermi-tub depth designs are within a limited range between maximum and minimum values, which maximizes saturation current and minimizes leakage current. It is also necessary to operate 0.8 μm devices at light tub doping concentrations, for example of the order of 1.5E16, in order to maximize carrier mobility. A tub concentration around 2.5E16 is suitable for a Fermi-FET having a channel length of 0.5 μm.
制限範囲内のフェルミチャネルの深さYfに対する式
を、Ytub−Yoと定義すると、 となる。Defining the equation for the Fermi channel depth Y f within the limit as Y tub −Y o , Becomes
フェルミチャネルの深さYfの曲線を、図36に示す。こ
の曲線は、フェルミチャネルの深さYfを、横軸に沿った
フェルミタブドーピング濃度Ntubの関数としてオングス
トロームにおいて示し、基板濃度Nsubをランニングパラ
メータとして示す。表面の電位φsを、式(102d)によ
って与える。350Å程度のフェルミチャネルの深さが必
要である。図37は、しきい値電圧を、タブドーピング濃
度関数としてグラフ的に示し、5E18から2E19の範囲内の
ポリ濃度Npolをランニングパラメータとして示す。極め
て安定したしきい値電圧が、高性能のフェルミFETによ
って達成される。The curve depth Y f of the Fermi channel, shown in Figure 36. This curve, the depth Y f of the Fermi channel, indicated in Angstroms as a function of Fermi tab doping concentration N tub along the horizontal axis shows the substrate concentration N sub as the running parameters. The surface potential φ s is given by equation (102d). A fermi channel depth of about 350 mm is required. FIG. 37 graphically illustrates the threshold voltage as a function of the tub doping concentration, with the poly concentration N pol in the range of 5E18 to 2E19 as the running parameter. Extremely stable threshold voltages are achieved with high-performance Fermi-FETs.
上述した記述は、Nチャネル装置を基礎とするもので
あるが、同様の式をPチャネル装置に用いることができ
る。すべての濃度を同一にしてもよい。しかしながら、
ドーピングの形式を、NからPに、PからNに変更す
る。Although the above description is based on N-channel devices, a similar equation can be used for P-channel devices. All concentrations may be the same. However,
Change the type of doping from N to P and from P to N.
図および本明細書において、本発明の代表的で好適な
実施例を開示した。特定の専門語を使用したが、これら
は、一般的で記述的な意味においてのみ使用され、制限
を目的とするものではない。本発明の範囲を、請求項に
おいて説明する。In the drawings and specification, there have been disclosed representative and preferred embodiments of the present invention. Although specific terminology has been used, they are used only in a general, descriptive sense and are not intended to be limiting. The scope of the invention is set forth in the claims.
図面の簡単な説明 図1はNチャネル高電流フェルミFETを示す断面図、 図2A乃至2Cは0.8μmのチャネルを有する図1の高電
流フェルミFETの好適なドーピングプロフィールおよび
幾何学的形状を示す説明図、 図3は図1の高電流フェルミFETの一部分を示す拡大
断面、 図4Aおよび4BはそれぞれNチャネルおよびPチャネル
フェルミFETのシミュレートされたドーピング飽和電流
をチャネル長さおよびゲート絶縁層厚さの関数として示
す特性図、 図4CはフェルミFETのシミュレートされたゲート容量
対絶縁層厚さの関係を示す特性図、 図5Aは従来の0.8μmのNチャネルMOSFETシミュレー
トされたトランジスタドレイン電流特性を示す特性図、 図5Bおよび5Cは0.8μmのNチャネル高電流フェルミF
ETシミュレートされたトランジスタドレイン電流特性を
示す特性図、 図6Aおよび6BはそれぞれNチャネルおよびPチャネル
高電流フェルミFETのシミュレートされた基底電流およ
びサブ閾値漏洩特性を示す特性図、 図7は高電流フェルミFETの種々のサイドウォールス
ペーサ構体のドレイン電流対ドレインバイアスのシミュ
レートされた最悪の場合の比較を示す説明図、 図8A乃至8Cは図7に示すサイドウォールスペーサ構体
の拡大断面図、 図9Aは短チャネル低漏洩電流フェルミFETの第1例を
示す断面図、 図9Bは短チャネル低漏洩電流フェルミFETの第2例を
示す断面図、 図10Aおよび10Bは図9Aの0.5μmチャネル低漏洩電流
フェルミFETを設計する好適なドーピングプロフィール
および幾何学的形状を示す説明図、 図10Cおよび10Dは図9Bの0.5μmチャネル低漏洩電流
フェルミFETを設計する好適なドーピングプロフィール
および幾何学的形状を示す説明図、 図11は電界効果トランジスタの基底およびサブスレシ
ホルド電圧−電流特性を示す特性図、 図12Aおよび12Bはドレイン誘起注入を示す電界効果ト
ランジスタの拡大断面図、 図13は本発明Nチャネル高電流低漏洩電流フェルミFE
Tの構成を示す断面図、 図14は図13のトランジスタのチャネルに対向するソー
スおよび/またはドレイン拡散注入区域に蓄積された累
積自由電荷を示す説明図、 図15は図13のトランジスタのチャネル内に累積されな
い過剰キャリアの等価量を示す説明図、 図16Aおよび16Bは種々のチャネル長さに対するゲート
容量ファクタをソース/ドレイン拡散濃度の関数として
示す説明図、 図17は図13のトランジスタの閾値における電界を示す
説明図、 図18は図13のトランジスタのチャネルドーピング濃度
を増大することによって閾値電圧の低下せしめる状態を
示す説明図、 図19は電界効果トランジスタの飽和速度をベクトル量
で示す説明図、 図20Aおよび20Bはそれぞれ電子および正孔に対する最
大横方向速度を示す説明図、 図21Aおよび21Bはそれぞれ図20Aおよび20Bの状態に対
する余弦ファクタを示す説明図、 図22Aは少量ドープ拡散を行ったNチャネルMOS装置を
示す断面図、 図22Bは図22Aの装置の直交方向電界を示す説明図、 図23Aは少量ドープ拡散を行った埋設チャネルMOS装置
を示す断面図、 図23Bは図23Aの装置の直交方向電界を示す説明図、 図24は図13のフェルミFETトランジスタの直交方向電
界を示す説明図、 図25A乃至25CはNMOSおよびN−フェルミ−FETドレイ
ン飽和電流をゲート機能およびチャネル長さの関数とし
て示す説明図、 図26A乃至26CはPMOSおよびP−フェルミ−FETドレイ
ン飽和電流をゲート機能およびチャネル長さの関数とし
て示す説明図、 図27は本発明Nチャネル高電流低漏洩電流フェルミFE
Tの第2例の構成を示す断面図、 図28は図27のフェルミFETの一部分の拡大断面図、 図29は図27のフェルミFETのソース領域に隣接して分
布する電荷の未空乏リザーバ(電荷蓄積)を示す説明
図、 図30は図27のフェルミFETに対する飽和電流をドーピ
ング傾斜領域の厚さの関数として示す説明図、 図31は図27のフェルミFETに対する飽和電流をソース
/ドレインドーピング濃度の関数として示す説明図、 図33Aおよび33Bはそれぞれ図1のフェルミFETの一部
分およびその対応する電界を示す説明図、 図34Aは完全に閉じ込められた反転領域のシミュレー
ションを示す説明図、 図34Bは閉じ込めに失敗した反転注入バリアのシミュ
レーションを示す説明図、 図35はフェルミタブ深さの最大値および最小値を示す
説明図、 図36はフェルミチャネル深さをフェルミタブドーピン
グ濃度および基板濃度の関数として示す説明図、 図37は閾値電圧をタブドーピング濃度およびポリシリ
コンゲート濃度の関数として示す説明図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an N-channel high-current Fermi-FET, and FIGS. 2A-2C illustrate preferred doping profiles and geometries of the high-current Fermi-FET of FIG. 1 having a 0.8 μm channel. FIG. 3, FIG. 3 is an enlarged cross-section showing a portion of the high current Fermi-FET of FIG. 1, FIGS. 4A and 4B show the simulated doping saturation currents of the N-channel and P-channel Fermi-FETs, respectively, for channel length and gate insulation layer thickness. 4C is a characteristic diagram showing the relationship between the simulated gate capacitance and the thickness of the insulating layer of a Fermi-FET, and FIG. 5A is a simulated transistor drain current characteristic of a conventional 0.8 μm N-channel MOSFET. 5B and 5C show 0.8 μm N-channel high current Fermi F
6A and 6B show simulated base current and sub-threshold leakage characteristics of N-channel and P-channel high-current Fermi FETs, respectively. FIGS. 8A-8C are simulated worst-case comparisons of drain current versus drain bias for various sidewall spacer structures of a current Fermi FET, FIGS. 8A-8C are enlarged cross-sectional views of the sidewall spacer structure shown in FIG. 9A is a cross-sectional view showing a first example of a short-channel low-leakage-current Fermi-FET, FIG. 9B is a cross-sectional view showing a second example of a short-channel low-leakage-current Fermi-FET, and FIGS. 10A and 10B are 0.5 μm-channel low-leakage of FIG. FIG. 10C and FIG. 10D show preferred doping profiles and geometries for designing current Fermi-FETs. FIGS. 10C and 10D show the 0.5 μm channel low leakage of FIG. 9B. FIG. 11 is an illustration showing a preferred doping profile and geometry for designing a current Fermi-FET, FIG. 11 is a characteristic diagram showing the base and sub-threshold voltage-current characteristics of a field effect transistor, and FIGS. 12A and 12B are electric fields showing a drain induced injection. FIG. 13 is an N-channel high current low leakage current Fermi FE of the present invention.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing the configuration of T. FIG. 14 is an explanatory view showing accumulated free charges accumulated in a source and / or drain diffusion injection area facing the channel of the transistor of FIG. 13. FIG. 16A and 16B show the gate capacitance factor as a function of source / drain diffusion concentration for various channel lengths. FIG. 17 shows the threshold voltage of the transistor of FIG. FIG. 18 is an explanatory diagram showing an electric field, FIG. 18 is an explanatory diagram showing a state in which the threshold voltage is reduced by increasing the channel doping concentration of the transistor in FIG. 13, FIG. 19 is an explanatory diagram showing the saturation speed of a field-effect transistor in a vector amount, 20A and 20B are explanatory diagrams showing the maximum lateral velocities for electrons and holes, respectively. FIGS. 21A and 21B are FIGS. 20A and 2B respectively. FIG. 22A is a cross-sectional view showing an N-channel MOS device in which lightly doped diffusion is performed, FIG. 22B is an explanatory diagram showing an orthogonal electric field of the device of FIG. 22A, and FIG. FIG. 23B is a cross-sectional view showing a buried channel MOS device in which diffusion is performed, FIG. 23B is an explanatory diagram showing an orthogonal electric field of the device of FIG. 23A, FIG. 24 is an explanatory diagram showing an orthogonal electric field of the Fermi-FET transistor of FIG. 25C illustrates NMOS and N-Fermi-FET drain saturation current as a function of gate function and channel length. FIGS. 26A through 26C illustrate PMOS and P-Fermi-FET drain saturation current as a function of gate function and channel length. FIG. 27 is an N-channel high current low leakage current Fermi FE of the present invention.
FIG. 28 is an enlarged cross-sectional view of a part of the Fermi-FET of FIG. 27, and FIG. 29 is an undepleted reservoir of charges distributed adjacent to the source region of the Fermi-FET of FIG. FIG. 30 shows the saturation current for the Fermi-FET of FIG. 27 as a function of the thickness of the doping gradient region, and FIG. 31 shows the saturation current for the Fermi-FET of FIG. 27 as the source / drain doping concentration. FIG. 33A and FIG. 33B are each an illustration showing a portion of the Fermi-FET of FIG. 1 and its corresponding electric field, FIG. 34A is an illustration showing a simulation of a fully confined inversion region, FIG. 35 is an explanatory diagram showing a simulation of an inversion implantation barrier in which confinement has failed. FIG. 35 is an explanatory diagram showing the maximum and minimum values of Fermi-tub depth. Doping concentrations and diagram as a function of substrate concentration, FIG. 37 is an explanatory diagram showing a threshold voltage as a function of the tabs doping concentration and a polysilicon gate density.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 177,847 (32)優先日 平成6年1月5日(1994.1.5) (33)優先権主張国 米国(US) 前置審査 (72)発明者 ヴァイナル アルベルト ダブリュー アメリカ合衆国 ノースカロライナ州 27511 キャリー クイーンズフェリー ロード 810 (72)発明者 デンネン マイケル ダブリュー アメリカ合衆国 ノースカロライナ州 27615 ローリー ウィンドジャマー ドライブ 8820 (56)参考文献 特開 昭62−66659(JP,A) 特開 昭55−98844(JP,A) 国際公開90/10309(WO,A1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/78 H01L 21/336 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (31) Priority claim number 177,847 (32) Priority date January 5, 1994 (1994.1.5) (33) Priority claim country United States (US) Preliminary examination (72) Inventor Vinyl Albert W. North Carolina, United States 27511 Carry Queens Ferry Road 810 (72) Inventor Dennen Michael W. North Carolina, United States 27615 Raleigh Windjammer Drive 8820 (56) References JP 62-66659 (JP, A) JP-A-55-98844 (JP, A) WO 90/10309 (WO, A1) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 29/78 H01L 21/336
Claims (1)
形のソース領域(23)及びドレイン領域(24)と、 前記ソース領域と隣接しドレイン領域と対向する第2導
電形のソース注入領域(37a)と、 前記基板面のタブ領域のソース領域とドレイン領域との
間に位置する第2導電形のチャネル(26)と、 前記基板表面のソース領域とドレイン領域との間にある
ゲート絶縁層(26)と、 前記ソース領域、ドレイン領域及びゲート絶縁層とそれ
ぞれ接触するソース電極、ドレイン電極及びゲート電極
(31,32,28)とを具え、前記チャネルが基板表面から第
1の予め定めた深さ(Yf)で延在し、前記タブ領域がチ
ャネルから第2の予め定めた深さで(Y0)延在し、これ
ら第1及び第2の予め定めた深さの少なくとも一方の深
さを、前記第1の予め定めた深さにおいて基板面と直交
する零の静電界が発生するように選択すると共に、前記
タブ領域が基板面から第3の予め定めた深さで基板内部
に延在し、少なくとも第3の予め定めた深さを、半導体
基板のフェルミーポテンシャルの2倍の電界効果トラン
ジスタの閾値電圧を発生するように選択した電界効果ト
ランジスタ。1. A semiconductor substrate of a first conductivity type, a tab region of a second conductivity type on a surface of the substrate, and a tab region of a second conductivity type on a surface of the substrate and separated from each other. A source region (23) and a drain region (24), a source implantation region (37a) of the second conductivity type adjacent to the source region and facing the drain region, and a source region and a drain region of a tub region on the substrate surface. A channel (26) of the second conductivity type located between the gate electrode and the gate insulating layer (26) between the source region and the drain region on the substrate surface; A source electrode, a drain electrode, and a gate electrode (31, 32, 28) in contact with each other, wherein the channel extends from the substrate surface at a first predetermined depth (Y f ); At a second predetermined depth (Y 0 ) And at least one of the first and second predetermined depths is selected such that a zero electrostatic field orthogonal to the substrate surface is generated at the first predetermined depth. And the tub region extends from the substrate surface to the inside of the substrate at a third predetermined depth, and at least the third predetermined depth is set to be equal to twice the Fermi potential of the semiconductor substrate. A field effect transistor selected to generate a threshold voltage.
Applications Claiming Priority (7)
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|---|---|---|---|
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| US037,636 | 1993-02-23 | ||
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| US08/050,852 US5367186A (en) | 1992-01-28 | 1993-04-21 | Bounded tub fermi threshold field effect transistor |
| US177,847 | 1994-01-05 | ||
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| PCT/US1994/001931 WO1994019830A1 (en) | 1993-02-23 | 1994-02-14 | High saturation current, low leakage current fermi threshold field effect transistor |
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